熱していても水は凍る？

やかんに水をいれて熱してもその中の水が凍ることが、確率的にはかなり低いものの起こりうるという話を聞いたのですが、これはどういうことなのですか？熱によって水分子の運動が激しくなっていって、いずれ気化するだけじゃないんですか？現に与えられてるはずの熱はどこにいくんですか？エントロピーの増大だったりエンタルピーの減少に関係あることなんでしょうか？説明していただけると嬉しいです。よろしくお願いします

No.5 回答者： greatcat 回答日時： 2002/09/25 02:26

系が小さければ,観測可能かもしれない。

観測手段は,赤外のパルス(アト秒の時間分解能ぐらい)でも当てれば,
氷と水で伸縮振動数や振動緩和が異なるから,それを解析すればよい。
ただし,温度は5℃以下。(0℃以上ならよい)
しかし,水分子,数十個(多くても数百個か？)とかでは微弱すぎて検出できないから,やはり無理か？(水が液体として存在できる最小限の水分子の数が分かれば…)

Ｘ線パルスとかで,できそうなきもするけど…分からん。
無限の時間があれば,検出でけるだろうけど…
ある特異的な温度(4℃とか)では,比較的起こりやすいかもしれん。

現実的に,観測可能な系としては,0.5～2℃で測定する。或いは,過冷却な状態にある水(0℃以下)か…(これは反則)。

No.4 回答者： siegmund 回答日時： 2002/09/24 23:53

この種の話では熱するかどうかは本質的ではありません．

適当な温度の水(簡単に50℃としましょう)が，
【勝手に】容器の右半分が100℃，左半分が0℃，というようになりうるかどうか
ということが本質です．

普通に起こるのは，100℃と0℃の水を等量混ぜたら50℃になってしまうという現象です．
これは水分子がランダムに衝突していて，
速度の速い分子と遅い分子が空間的にほぼ一様に存在しているからです．
ただし，ランダムな衝突の結果，
ほとんどの速度の速い分子が容器の右半分に集まり，
ほとんどの速度の遅い分子が容器の左半分に集まった，
という事態が起こるのを完全に否定することはできません．
でも，これはまず起こり得ません．

トランプの１セットで，上半分２６枚を赤，下半分２６枚を黒，
としておいてシャッフルすると何度か後には赤と黒とはほぼ均等に混ざり合います．
逆に，赤と黒とがほぼ均等に混ざり合った状態からシャッフルして
上半分２６枚が赤で下半分２６枚が黒になるとはとても思えません．
こういうことを体験した方はまずいないでしょう(マジックは別ですよ！)．
枚数が多くなるほど起こり得ないのは直感的に明らかでしょう．

水の温度分離の話も似たようなものですが，
水の分子数は桁外れに大きい(水 18g で 6×10^(23)個)ですから，
ますます上のようなおかしなことは起こり得ません．

部屋の中の酸素分子が一方に偏ってしまって酸欠で倒れた，
なんてことも同様に起こり得ません．

エントロピーの言葉で言うなら，
「孤立系の自然な変化はエントロピーが増大する方向に向かう」
というエントロピー増大則と関係があります．
容器の右半分が100℃，左半分が0℃，
と分離するのはエントロピーが減少したことになります

> 現に与えられてるはずの熱はどこにいくんですか？
やかんの水の一部が凍るという話なら，残りの「熱い」部分に熱が貯まっています．
あるいは，一部が気体になって飛んで行ってしまったか．

No.3 回答者： ymmasayan 回答日時： 2002/09/24 01:33

まぜっかえすようですが、

９９．９９９９９９９９９％の純度の金を純金だと言う人と、
いや、不純物が入っているから純金とは言えないと言う人の
違いみたいなものでしょ。

でも確率＝０　と　確率≒０　とは本質的には全く違うともいえますね。

No.2 回答者： First_Noel 回答日時： 2002/09/23 20:16

まず「温度」とは、原子分子の集団の速度分布の度合いを表すパラメータです。

もし、たまたま同程度の速度の分子同士がほぼ正面衝突して速度を失って、
それが全体のあちこちで起こりまくれば、温度は下がることになります。

＃１さまが書かれている通り、あり得るが、我々の日常では殆どあり得ない話です。
しかし我々の日常など、宇宙スケールの空間と時間とではごくごく小さなサンプルに
過ぎませんから、決して机上の空論ではありません。
こういう「ありそうにないこと」を表現するのに統計力学では、
「確率は１０の１０乗の１０乗分の１」なんて、おおざっぱな表現で
それを「おこりそうにないこと」と言ったりします。

No.1 回答者： nakaichi 回答日時： 2002/09/23 17:12

こんにちは。

私は素人ですが、こりゃ絶対にありえないでしょ。もし、あったとしても“机上の空論”でしょう。『アキレスと亀』のような。