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水は凍るか？
水が常圧下で凍る時には、一般的には体積が約９％膨張するそうです。 では、体積が膨張しないように圧力をかけて、体積を一定に保つと水は凍るのでしょうか、それとも・・・？
- tsuki-san
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0℃では凍りません。ただし、もっと温度を下げてよいのなら凍ります。 圧力 ↑ │ / │ / │ ｜水 ／ │ ＼ ／ │ ＼／ │ 氷 ／ 水蒸気 │ ／ │ ／ └─────────→温度 上の図は水の相図を模式的に示したものです(*1)。温度と圧力が決まると、水、氷、水蒸気のいずれの状態で存在するか分かる図です。この中で注目すべきは水-氷の間の境界線で左に傾いている部分があることです(世の中の多くの物質は右に傾いている)。つまり温度が一定であっても、氷にだんだんと圧力をかけていくと水になることを示します。言い換えれば圧力がかかった状態では0℃よりさらに温度を下げないと水は凍らないということです。 一方で圧力が加えられた状態であっても温度をさらに下げれば再び凍ります。常圧付近であれば1気圧かけるごとに0.0074℃の割合で凝固点が下がりますが、これよりさらに温度を低くすれば水は固まるわけです。 さらに圧力をかけると水-氷の境界線は右上がりに転じます。圧力を強くすれば凝固点はどこまでも下がるかと言うとそうでなく水として存在できる温度には限界があるということです。どれくらい低い温度まで液体の水として存在できるかというと、207.4[MPa]かけた状態での-22.0℃が限界です。これ以下に温度を下げれば圧力がどんなに高くても凍ります(*2)。なお過冷却は考えないことにします。 氷のヤング率は100[GPa]ぐらいだそうで、9%の体積膨張を押さえ込むとなると相当の圧力が必要になりますが、仮にその圧力がかかった状態であったとしても凍らせることは可能という結論になります。 以下の質問での議論もご参考に http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=165906 *1 相図とは「ある環境・条件下で、その物質がどのような状態で存在するか」を示したものです。この場合は水(1成分系)でしたので変数は温度と圧力でしたが、2成分系だと「組成比と温度」を変数にとった相図が一般的です。 *2 この時の氷の構造は常圧下の氷のそれとは若干異なります。氷I～氷VIIなどとして区別されます。
その他の回答 (4)
絶対0度（0度K）まで下げられれば.何でも凍りますから.凍ります。
お礼
おっしゃる通りです。
- mikro
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なんで凍らないって思うのかなー。 水が凍っても膨張しないような圧力をかけて（すなわち丈夫な容器にいれて）冷やせば凍ります。
お礼
－２２℃以下であれば凍るということですか。 ありがとうございます。
- arukamun
- ベストアンサー率35% (842/2394)
こんばんは 凍らないですね。 よく見る実験で、注射器の様なものに水を少しいれてピストンをひくと、温度変化が無いのに水が水蒸気になりますよね。 これの逆だと思います。 体積が固定された状態で一番安定出来る状態になりますので、水のままですね。
お礼
ほう、やはり凍りませんか？
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お礼
なるほど、凍るということがわかってきました。 ありがとうございます。