今日も通勤途中にいっぱい霜柱を見かけました。
 が、何で土が凍る時に霜柱って出来るんでしょう。冷凍した肉みたいにカチカチにならないのはなぜなんでしょう。
 冷凍庫で土を凍らせても霜柱って出来るのでしょうか(なんか衛生的でないような気がして実際にやる気になれない・・・、おまけに冷凍食品がいっぱいでやろうと思っても出来ない・・・)。
 まったく困ってはいませんが、ちょっと気になります。本当に暇な時で良いのでどなたか教えてください(でもこれって物理の質問なのかしら?)。よろしくお願いします。

A 回答 (5件)

圧力があると言っても吹き出す力ではなく維持する力が働くのです。

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この回答へのお礼

お礼が遅くなってすみません。長々とお付き合い頂きありがとうございました。

お礼日時:2001/02/23 07:56

押し上げる力は膨張による物です。


水分が凍結すると体積が一割ほど増えます。
で続いて水分が供給されるのが毛細管現象によるもの。
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この回答へのお礼

 そうか、水は凍ると膨張するんでしたよね。ありがとうございます。
 ちょっと勉強してみましたが、今一つわからないことがあります。もうちょっとお付き合い頂けるとありがたいです。
 毛細管(土と土の間隙)の上に霜柱が出来ると、毛細管の頂部には大気圧+霜柱分の圧力が加わりますよね。それでも水が供給されて霜柱が成長するには、”毛細管現象による間隙水圧”が”大気圧”より”霜柱による圧力”分高い事になると思うんですが、そんなに水圧が高いのなら寒くない日には土は水浸しになるはずですよね。にわか勉強の知識なのでかなりトンチンカンなこと書いてるんでしょうけど、見捨てずによろしくお願いします。

お礼日時:2001/02/09 19:34

霜柱ができるには


『水分を含んだ(柔らかい)地表(もしくは少し下)に0℃の境界があり、地下は0℃より高く、 地上は0℃より低くなっているいる』条件が必要です。
冷凍庫だと全体が冷えますので大きな泥の氷が出来て終わってしまいます。

参考URL:http://www.wnn.or.jp/wnn-n/tushin/shitsumon/tenm …
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この回答へのお礼

皆さんありがとうございます。ポイントは毛細管現象と土と空気の温度差なんですね。ただ良くわからない事があります。tes3さんの教えてくれたURLによると「水分は地面から供給される」とありますが、なぜわざわざ供給してくるんでしょう。
最初に地表の水分が凍りますよね、でもその下は「地下は0℃より高い」ことが条件ならもう凍らない気がするんですが・・・。「水分を供給する」ということは、下の水が押し上げているのか、上の氷が引き上げているのか、どっちなんでしょう(後者はなさそうだな・・・)。その時わざわざ氷を押し上げる力は何なんでしょう。自分でも調べてみますが、詳しい方お願いします。

お礼日時:2001/02/09 12:35

gooで「霜柱」と検索をかけると、いくつか出てきますよ。


そのうちの一つを下に書いておきます。
このページによると、冷凍庫での霜柱再現は難しそうですね。

参考URL:http://www.wnn.or.jp/wnn-s/ask/room/tutor/rika/s …
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物理学で正しいです。


毛細管現象ってもので、地面と大気の温度差があるからあのような成長をするのです。
冷凍庫でやっらたそれこそガチガチに凍るだけでしょうね。
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 「霜ばしら」という名のお菓子は、仙台市にある「九重本舗玉澤」が製造しているものです。
 こちらに紹介記事があります。
http://www.yomiuri.co.jp/wine/kanmi/20040129sl11.htm
 こちらをみると品切れのため販売休止中とのことですが、直接問い合わせた方がよいと思います。
http://www.sendaimeiten.com/kokonoehonpo/
 実は「霜ばしら」というのは「九重本舗玉澤」の商標で、一般的には「晒よし飴」というお菓子と同じものです。同社では「霜ばしら」より長いものを「晒よし飴」として販売したはずです。
 なお「晒よし飴」は仙台市ではないですが次のところでも作っています。
http://www.nobi.or.jp/x/ichibaya/

参考URL:http://www.yomiuri.co.jp/wine/kanmi/20040129sl11.htm

Q即席の冷凍庫をつくりたい。

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お菓子を買う場所について
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・地元で人気のある菓子店で買うお菓子

お菓子の種類について
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世話になったという意識があり、自分が出来る範囲で最高のものを
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Q霜柱が成長するわけ

霜柱がどういうしくみでできるのかを検索してみたところ、様々なサイトで同じような説明があり、要約すると「地面を境にして上が0℃未満で下が0℃以上の時にでき、地面で水分が氷になると下から毛管現象によって水分が供給され、その水分がまた氷になり、それを繰り返して霜柱ができる」ということでした。

私の疑問は2つあります。
1つ目は、毛管現象で水が揚がってくるためには、上部にまだ濡れていない部分があることが必要だと思います。だから、上の方の水が蒸発で無くなれば下から揚がってくるというのはわかりますが、上の方が凍った場合にどうして揚がってくるのかわかりません。

2つ目は、霜柱が成長するときに、初めに凍ったところの上まで水分子が移動してきて凍るのか、それとも氷の下に到達したときに凍るのか、どちらでしょう。それともどちらでもないのでしょうか?
(霜柱が土を持ち上げるのは氷になると体積が増えるからだという説明をよく見かけますが、増えると言っても数%のはずなのに、実際は霜柱の長さの分くらい土が盛り上がっているように感じるので、予想では、初めに凍った所の上まで水分子が移動してきて凍るのではないかと思っていますが。)

質問者は大人です。高校卒業程度の理科の知識があるものとしてご回答をお願いします。

霜柱がどういうしくみでできるのかを検索してみたところ、様々なサイトで同じような説明があり、要約すると「地面を境にして上が0℃未満で下が0℃以上の時にでき、地面で水分が氷になると下から毛管現象によって水分が供給され、その水分がまた氷になり、それを繰り返して霜柱ができる」ということでした。

私の疑問は2つあります。
1つ目は、毛管現象で水が揚がってくるためには、上部にまだ濡れていない部分があることが必要だと思います。だから、上の方の水が蒸発で無くなれば下から揚がってくるというの...続きを読む

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まず、注意すべき点は霜柱ができる条件は気温が0℃以下でも土が0℃以上である点です。そうでなければ土の中の水が凍ってしまうからです。さて、ガラス管でたとえましたが、ガラス管全体が0℃以上、ガラス管の先が0℃以下とすると、ガラス管の先端の水は極薄く凍ります。(厚みがないくらい薄い)おそらく凍ったときに凝固熱が発生するため、ガラス管の内部は冷えないと考えます。凍るとその部分の水が少なくなり、それを補う形でガラス管内の水が毛細管現象で上昇する。上昇して薄い氷を持ち上げる→水が凍る→水が上昇する、という繰り返しになります。
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 高温側の熱交換器の事を(冷媒を凝縮させる装置である事から)凝縮器、低温温側の熱交換器の事を(冷媒を蒸発させる装置である事から)蒸発器と呼びます。
 凝縮器の温度が高く、蒸発器の温度が低い程、温度差は大きくなります。
 そして、凝縮器の温度が高い程、冷媒の膨張前温度は高くなり、蒸発器の温度が低い程、冷媒の蒸発器出口温度は低くなります。
 モリエル線図(p-h線図)に冷凍サイクルを描く時の事を考えてみて下さい。
 膨張弁やキャピラリー(毛細管)による膨張は自由膨張に近いため、エンタルピー変化は無いものと見做しますから、冷凍サイクル中の膨張行程を表す線は、垂直の直線になります。
 膨張行程は極めて短時間の内に行われますから、膨張行程が行われている間に、冷媒と外部との間で熱が移動する時間が無いため、膨張行程中には熱の出入りは無いものと見做せますし、液体は、熱の出入りが無ければ、圧力が変化しても温度やエンタルピーは変わりませんから、冷凍サイクル中の膨張行程を表す線は、飽和液線上の膨張前温度を表す点(等温線と飽和液線の交点)を通ります。
 圧力が高い程、冷媒が蒸発する温度は高くなりますから、飽和液線上の温度は圧力が高い程高くなり、飽和液線は右上がりに傾いていますから、膨張前温度が高い程、膨張行程におけるエンタルピーは大きくなります。
 一方、蒸発器内の圧力は、蒸発器内の何処でも殆ど同じですから、冷凍サイクル中の蒸発行程を表す線は、水平の直線になります。
 冷凍機の圧縮機(コンプレッサー)が液体を吸い込むと、圧縮機が損傷してしまいますから、蒸発器出口において冷媒は完全に気化していなければなりません。
 そのため、蒸発行程のラインの右端は、必ず乾き飽和蒸気線よりも右側の、乾き蒸気の領域に突き出ていなければなりません。(乾き飽和蒸気線よりも左側の状態では液相が含まれている)
 気体は、臨界圧力よりも充分に低い圧力の下では、その振る舞いが理想気体に近くなり、理想気体のエンタルピーは圧力に関わらず、温度にのみに比例しますから、蒸発器出口温度が低い程、冷媒のエンタルピーも小さくなります。
 凝縮器出口における冷媒温度を高くすると、膨張前温度も高くなって、膨張行程におけるエンタルピーが大きくなり、その一方で蒸発器出口温度を低くすると、蒸発器出口におけるエンタルピーが小さくなるのですから、凝縮器と蒸発器の温度差を大きくする程、蒸発行程を表すラインの長さは短くなります。
 蒸発行程を表すラインの両端におけるエンタルピーの差は、即ち単位質量の冷媒が蒸発器内で吸収する熱エネルギーの量の事ですから、凝縮器と蒸発器の温度差を大きくする程、単位質量の冷媒が蒸発器内で吸収する熱量は少なくなります。
 単位質量の冷媒が吸収する熱量が少なくても、循環する冷媒の量が多ければ、冷凍能力を大きくする事は可能な様に思えるかも知れません。
 この場合は冷凍機が消費する電力が一定の場合を考えている訳ですから、圧縮機が単位質量の冷媒に対して行う仕事が少なくて済む程、より多くの冷媒を循環させる事が出来ます。
 圧縮行程は断熱過程であるため、等エントロピー曲線に沿って、左下から右上がりに進みます。
 圧縮機が単位質量の冷媒に対して行う仕事は、圧縮行程を表すラインの両端におけるエンタルピーの差になりますから、圧縮機が単位質量の冷媒に対して行う仕事を少なくするためには、凝縮器内の圧力を低くすると良い事になります。
 しかし、圧力を低くし過ぎて、凝縮器内の圧力に等しい圧力下における冷媒の蒸発温度が、凝縮器内の温度よりも低くなってしまいますと、冷媒は液化せず、蒸発潜熱を利用する事が出来なくなります。
 凝縮器の温度をあまり下げる事は出来ませんから、結局、冷媒の循環量をあまり増やす事は出来ません。
 結果、凝縮器と蒸発器の温度差を大きくすると、冷媒が吸収する熱量が少なくなる事による影響が上回り、冷凍能力が小さくなります。
 逆に、凝縮器と蒸発器の温度差を小さくすると、冷凍能力が大きくなります。

 高温側の熱交換器の事を(冷媒を凝縮させる装置である事から)凝縮器、低温温側の熱交換器の事を(冷媒を蒸発させる装置である事から)蒸発器と呼びます。
 凝縮器の温度が高く、蒸発器の温度が低い程、温度差は大きくなります。
 そして、凝縮器の温度が高い程、冷媒の膨張前温度は高くなり、蒸発器の温度が低い程、冷媒の蒸発器出口温度は低くなります。
 モリエル線図(p-h線図)に冷凍サイクルを描く時の事を考えてみて下さい。
 膨張弁やキャピラリー(毛細管)による膨張は自由膨張に近いため、エ...続きを読む


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