ボンベに入った液化炭酸ガスで、50 x 50 x 500ｍｍ程度の鉄製

質問

ボンベに入った液化炭酸ガスで、50 x 50 x 500ｍｍ程度の鉄製のブロックを冷やした時のブロックの収縮量はどのように計算すれば良いでしょうか？

冷やし方としては、以下の２パターンです。
１．外側から液化炭酸ガスをかける。
２．50 x 50の断面の中央にあけた直径10mm程度の貫通穴に液化炭酸ガスを通す。

また、液化炭酸ガスはボンベから出た瞬間に気体になってしまうのでしょうか？
それとも上記のブロックを冷やしている間は液体のままでしょうか？

以上よろしくお願い致します。

回答No.2

do_ra_ne_ko

目的が何か知りませんし、液化炭酸ガスを扱ったことがありません。

しかし、何故ドライアイスを使わないのでしょうか？　液化炭酸ガスの沸点はー７８．９℃
ドライアイスの昇華点はー７９℃ですから、ドライアイスの方が取扱が容易でしょう。

熱の伝わり方は、室温を２０℃として、２０＋７９≒１００℃のお湯に鉄製ブロック（むしろ鉄棒とでも呼ぶべきものでしょうが・・・）を漬けたのと同じようなものです。この場合には鉄棒の温度が時間とともに上昇していきます。

これとは逆に、ドライアイスの中に鉄棒を埋めると２０-（-７９）≒１００℃の温度差で冷やされますので鉄棒の温度は時間とともに下がってゆきます。

調べておりませんが、恐らくお湯につけた方が鉄棒の温度変化が速いでしょう。しかし小さな鉄棒ですから
多少時間に余裕をもたせればドライアイスでも十分下がりましょう。

さて、ご質問の鉄棒の収縮量ですが、鉄の線膨張係数　α==1.1×１０のマイナス５乗ですので、１０００ｍｍの鉄棒の温度を１００度変化させると1.1ｍｍだけ変化します。従って長さが0.55mmだけ減少し、断面の長さが縦横それぞれ0.055mmだけ減少します。それが鉄棒の収縮量です。
鉄がステンレス鋼を意味するならもっと大きくなります。

それと目的を知らないのでご注意いただきたのですが鉄棒を急冷すると表面に引っ張り応力が発生します。
鉄棒の代わりに、５０mm×５００ｍｍの極薄い鉄板を張りあわせたものと考えます。そうすると表面の鉄板は温度が急降下しますので収縮しようとします。しかし後ろ側の鉄板の温度は下がっていないので元の長さのままです。そうすると表面の鉄板は無理やり引き延ばされることになります。伸び縮みともにわずかな量ですが鉄の伸び縮みを拘束しようとすれば、大きな応力となりますから問題です。

それから低温脆性の問題があります。普通の鉄は低温にすると脆くなって使い物になりません。

強度部材についてこのような冷却をするのは大いに問題でして、十分な知識なしには「危険」です。

お礼

お礼が遅くなりました。
大変役に立ちました。
ありがとうございました。

回答No.1

noname#160321

>液化炭酸ガスはボンベから出た瞬間に気体になってしまうのでしょうか？
当初はすぐに気化しますが、鉄塊の温度が下がるに従い次第に気化しにくくなります。
なお、大気圧下ではすぐに熱力学的に安定な「固体のドライアイスに相変化」してしまいますので、貫通孔に流す時は圧を掛けすぎないよう注意が必要です。
いずれにしても、全体がドライアイスに覆われてしまいますから、内部の温度がドライアイス温度になるのがいつか、知るのは結構やっかいです。

お礼

早速のご回答ありがとうございました。