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小4の質問：凝固と気化の時に温度は変わらないの？
- 小4の息子が凝固と気化の時の温度の変化について疑問を持っています。物質の3態について学習している中で、温度が変化しない時の状態がイメージできないと感じています。
- また、物質の3態における温度変化のグラフについても疑問を持っています。具体的には、凝固する場合や溶解する場合にどの部分の温度を測っているのかが分からないと感じているようです。
- 母親はなんとなく質問の意味は理解しているが、上手に質問できないと感じています。科学に詳しい方からのご教授をお願いします。
- tigerdragon
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- 科学
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#3です。 『水から飛び出したまま…』というのは、添付の図１のような状況をイメージしています。 液体(水)から水の分子が飛び出して気体(蒸気)となりますが、直前まで100℃であった水の分子が、気体になって突然100℃以上にはならない、ということを言おうとしたのです。 100℃以上になっているとすれば、気体の状態の水(水蒸気)が直接加熱されているのです。 >でも…水蒸気やけどって…100℃以上だから怖いと聞いたような記憶 うーん、そう言えばそんなことを私も聞いたことがあるような気がします。 でも、それは何かの間違いなのではないでしょうか。 ただ一つ言えるのは、100℃の空気とは違って、100℃の水蒸気か水に戻るときに熱を出しますから、100℃の空気より危険だとは言えるかもしれません。 >容積を変化させられる(不思議な)密封容器があったとしまして… 図２のように液体部分だけを熱している限りは、液体部分も気体部分も100℃です。
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>氷の場合・・・水になったところと氷のままのところがあるから・・・ それはお子さんの言う通りです。 例として、-10℃で凍らせた氷を室温(例えば27℃とか)に放置しておくことを考えることにします。 氷の外側は0℃以上の空気に触れているので溶け出していきます。しかし氷の中はまだ-10℃かもしれません。氷は熱を通しやすい物質ではありませんから。 氷の熱の通しやすさ(熱伝導度)は、鋼の25分の1くらいのものです。倍半分くらいの違いはありますが、大雑把なイメージとしてガラスや水晶くらいの熱の通しやすさがあるとイメージするといいと思います。冷たいガラスの塊を手のひらで包んだとしたとき、芯まで手の平の温度になるまでにはだいぶ時間がかかりそうな気がしませんか？ >良く物質の３態の温度変化として描かれているグラフの温度 理科の実験などでやるときは水の温度を測ります。 しかし、お子さんの疑問を解消するように実験するとすれば、少しだけ温度を上げて、氷の外側から芯まで同じ温度になるまで待ちます。同じ温度になったら、さらにほんの少しだけ温度を上げてまた同じ温度になるまで待つ、というふうにすることになるでしょう。 当然大変長い時間がかかるので、理科の授業時間内には終わりそうにありません。 または、氷全体がすぐに同じ温度になるように、氷を削って粉のようにして実験する手もあるかもしれません。 >最後の水分子(液体)一個が水蒸気(気体)に変わる瞬間まで １００℃？測っているのは・・・液体の水の温度・・・ですよね これも液体部分も気体部分も同じ温度です。 "最後の水分子(液体)一個が水蒸気(気体)に変わる瞬間まで"というお話があるので、「同じ」というと誤解を招きそうですが、「同じ」と言っているのは液体部分だけに熱を加えている場合です。 ビーカーや鍋で実験するとすれば、水が少なくなって、ビーカーの底が現れ、水蒸気を直接熱するようになります。そうすると当然水蒸気の温度は高くなっていきます。 100度の時に加える熱は、液体の状態で分子同士を結び付けている力を振り切るのに使います。100度より上がる前に熱は分子が気体となって飛んで行くのに使われるので、液体部分がなくなるまでは100度のままであるというわけです。 その気体も100度の水から飛び出したまま余計な熱を受け取るわけではありませんから、蒸気も100度であるということになります。
補足
丁寧なご回答をありがとうございます！ 『その気体も100度の水から飛び出したまま余計な熱を受け取るわけではありませんから、蒸気も100度であるということになります。』 の部分が良く理解できなくて行き詰っております…。 分かりが悪くて申し訳ありません。 『水から飛び出したまま…』といいうのは… お湯を沸かすと やかんの口から出た水蒸気はすぐ冷やされて湯気になって空気中に拡散？ 水蒸気の温度を測っているわけではなく 水全部が沸騰してなくなるまで 水(お湯)の温度は100℃。ということかな…？ （常温では水の状態で100℃以上にはならない。100℃を超えるのは水蒸気になった状態） ↑『液体部分がなくなるまでは100度のままであるというわけです。』 というのは上記理解でよいのでしようか…。 でも…水蒸気やけどって…100℃以上だから怖いと聞いたような記憶が… という事は やはり水蒸気になっている水は１００℃以上に加熱されている？ やかんの口から出ている水蒸気は100℃よりかなり高いのでしょうか？あれ～？？ 『「同じ」と言っているのは液体部分だけに熱を加えている場合です。』 とご説明くださっている箇所なのですが… イメージはビーカーにある水を下から熱している感じで… これはイメージできたのです。 でも・・・下の様な仮定で 全体(液体の水も水蒸気になった水も全部)同じ様に加熱できるとしましたら…↓↓ (1)仮に 常に１気圧に保てる様に容積を変化させられる(不思議な)密封容器があったとしまして… (2)その容器に半分ぐらいの液体の水をいれ… (3)その容器全体を加熱していくと… （100℃になる前も少しは蒸発するとして…） 100℃になった時点で沸騰が始まり 容器の下の液体の水は沸騰により減っていき、上には気体の水(水蒸気)ができて(不思議な容器に入れているという仮定なので容器はどんどん大きくなっている)… その場合…初めに入れた液体の水を１として、容器の水が、液体の水が１/２：水蒸気１/２とか…液体の水1/10：水蒸気9/10の状態になっていても 液体の水がすべて水蒸気になるまで 液体の水も水蒸気も１００℃のまま？ それとも 【液体の水】に関してを言っているだけで 水蒸気は１００℃以上にどんどん加熱されているのでしょうか？ 何度も申し訳ありません。
- bullfrog
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水と氷の場合でも、十分によく混ざり合っていて温度が均一であると考えてください。 実際、試験管に入れた水の温度を寒剤（氷と食塩を混ぜた物など）で下げる実験の場合、試験管内温度が均一になるように混ぜていないと、温度が下がりやすい試験管の壁面から凍り出します。温度計も、その氷の温度を測ってしまうと、まだ液体があるのにマイナスになってしまったりします。
お礼
ご回答ありがとうございました！ 水から氷への変化の場合・・・ 氷に寒剤として食塩を入れたものに 水の入った試験管を入れると 凍っていくのは分かるのです。そして なんとなく…どの部分の温度も０℃なのかな…と…。でも…これがビーカーとかなら違うんじゃない？ 等々… ？？？になっておりました。 (聞かれた母も？？？だよね…という感じで) 理解できました！（できたつもり…です…。） 【全体の温度が０℃になった瞬間から！】がポイントなのですね！ 例えば水に氷を入れた場合・・・ 水の入ったグラスに氷を入れると 水は冷えてきて氷は解けてきます。 この時…すごく氷が多いと 冷たい感じがするのですが 氷が少なくなった時は さほど冷たくない感じがしていたのです。 これは かき混ぜて均一にしてないから！ だけの事…。 グラスのどこの水を測っても０℃になった状態までにかき混ぜると、 氷が解けきるまでは(かき混ぜ続けて)0℃を保ち 溶け切ったところで グラスの水の温度が上がり始める…という事なのでしょうか？ 明日 息子と実験してみます。あ！大掃除がまだ…。 歳が明けてから…。みかんを食べながら…してみたいと思います。 こんな理解に至りました。 母的には がってん！がってん！がってん！（NHKの…）みたいな感じなのですが…間違っていないとすっきりでございます。 年の瀬のお忙しい中ご回答をありがとうございました。
- okormazd
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「凝固(溶解)と気化(液化)の時は 完全にどちらかの状態になるまで０℃ １００℃(これは1気圧のとき)の状態が続き、 温度は変化しない。」のです。 このときの状態というのは、「凝固点」は、「水と氷が『共存』している状態」すなわち水と氷が両方ある状態です。このとき、水の温度も氷の温度も同じです。「沸点」では、「水(といっても熱い水、お湯です)と水蒸気が『共存』している状態」すなわち水と水蒸気が両方ある状態です。このとき、水の温度も水蒸気の温度も同じです。 いずれにしても、どれかが(水、氷、水蒸気のどれか)がなくなるまで同じ温度になっています。ただし、圧力一定の場合で、特に沸点の場合はこの条件は大事です。
お礼
ご回答ありがとうございます。 あっ！と 気がつきました。 ある密閉容器で 圧力を一定にできるとしたら(容量を変化させ圧力を変えられる) 水(お湯)は 沸騰している間は 水も水蒸気も１００℃で 全部が水蒸気になるまで100℃のままで、(水蒸気の温度上昇より水の気体への変化に熱を使うから) 容器内のすべての水が水蒸気に変化した際に 気体(水蒸気）の温度が上昇しだす。（容器を変形させ常に同じ気圧に保つことができるとしたら）という事なのかと・・・。 凝固点の理解にはもう少し時間を要しそうですが 液体→気体の理解はできた様な気がしております。 ありがとうございました！
お礼
とても分かりやすいご説明をありがとうございます！ 【気体になって突然100℃以上になるのではなく 気体になった水蒸気が加熱されて100℃以上になる。】という事だったのですね！ 【不思議容器】の液体部分だけを熱している間は100℃で… 全ての液体が水蒸気になって 【水蒸気が】加熱されると温度が上がっていく…。【不思議容器】全体が加熱されているなら…水蒸気部分の温度は上昇＆液体部分の水はすべてが水蒸気になるまで100℃のまま…！ こんな理解にいたりました。 ありがとうございまいした。