中学３年自由研究

中学３年の自由研究についての質問です。

濃度の変わった塩水に氷をいれてどの塩水に入った氷が一番速く溶け切るかという実験をしました。
５つのコップに200mlの水をいれて塩(５g,１０g,１５g,２０g,３０g)をいれてその中に３個ずつ氷をいれて観察しました。

・氷はだいたい同じ大きさです
・一斉にやったので室温は同じです(室温30度,湿度45％)
・水は硬水を使い、同じ水を使ったので水温も同じです

予想では３０gから順番に氷が溶け切るだったのですが

結果は５→１０→１５→２０→３０の順番に氷が溶け切りました。
(溶けきるのにかかった時間は測っています)

塩分の濃度と氷の溶ける速さに関係があるのか、それとも不純物(？)が関係してくるのかよく分かりません。

回答お願いします！m(__)m

No.2 回答者： htms42 回答日時： 2012/08/23 21:48

水の温度は何度でしたか。

なぜ硬水を使ったのですか。
氷は3つで何ｇほどでしたか。
コップの材質は何ですか。金属、ガラス、プラスティックス
氷を入れる前に塩水はよく混ぜていますか。
水だけの時も調べていますか。
水だけの時も含めて、融けてしまうまでの時間を教えて下さい。

水温を２０℃とします。
氷の温度を０℃とします。（氷の温度は０℃であるとは限りません。製氷機から出したばかりの氷であれば―５℃、-１０℃もあるでしょう。表面が融け始めた時の温度はほぼ０℃であるとしていいでしょう。）
氷の塊３つですからほぼ１０ｇぐらいでしょう。２００ｇの水ですからコップにほぼいっぱいあります。氷は上の方に浮いている状態です。
氷の塊が融ける速さは接触している水の温度によって決まります。温度差が大きいほど伝わる熱量が多くなります。でもこの温度差は初めに入れた水の温度だけで決まるものではありません。接触している水は温度が下がりますから温度差が小さくなります。熱の伝わり方が悪くなります。接触している水を入れ替えてやる必要があります。かき混ぜると融け方が速くなるというのは接触している水を入れ替えているからです。（扇風機に当たるとなぜ涼しくなるのかと理屈が似ていますね。気温が３５℃ぐらいでもやはり涼しくなるというのは体表面からの水の蒸発が問題になっているからです。涼しくなるのは気化熱を奪われるからです。扇風機で風を送るというのは水が蒸発して湿度の高くなった空気を湿度の低い空気と入れ替えているのです。）
今の場合、人がかき混ぜるということをやっていませんので自然の仕組みでかきまぜるということが起こっています。それが対流です。対流が起こるためには密度の違いが存在していなくてはいけません。
水の密度は温度によって変化します。食塩水にすると密度はもっと大きく変化します。

塩分の濃度が高い方が溶けるのが遅かったということは塩分濃度が高い方がかき混ぜが弱い、対流の起こり方が悪かったということです。

塩水の中に氷が浮いているとします。氷の表面近くの塩水は冷やされてほぼ０℃近くになります。そこでは氷が溶けて生じた水も存在しています。水の中の氷の表面は０℃ので覆われていると考えてもいいでしょう。
水の中に氷が浮いている場合は周囲の水よりも氷の周りの水の方が密度が高いとしていいですから冷たい水が沈みます。すると沈んだ水の代わりに温度の高い水（密度の小さい水）が氷の近くにやってきて氷を暖めることになります。これを繰り返します。
１０ｇの氷が全部溶かすとすると融解熱はいくら必要でしょうか。氷１ｇが溶けるのに８０ｃａｌ必要ですから１０ｇで８００ｃａｌです。これは２００ｇの水の温度を４℃下げるだけでしかありません。水の持っている熱量で充分余裕はあるのです。ただ接触している水が動かなければうまく溶かすことはできません。対流が決め手です。塩水になると対流が悪くなります。食塩水になった時の密度の変化は水の密度の温度変化よりも大きいのです。食塩水の濃度が高くなると水との密度差が大きくなりますので対流が起こりにくくなります。

参考１　密度の値　　　単位はｇ／ｃｍ^3・・・・「化学便覧」からの引用です。

水の密度
　０℃　　０．９９９８４０　　
　５℃　　０．９９９９６４
１０℃　　０．９９９７００
１５℃　　０．９９９１０１
２０℃　　０．９９８２０６

食塩水
　１％　　１．００４１
　２％　　１．０１１１
　４％　　１．０２５３
　６％　　１．０３９６
　８％　　１．０５４１
１０％　　１．０６８８
１２％　　１．０８３７
（２００ｇの水に食塩を５ｇ加えた時の濃度は約３％、３０ｇ加えた場合の濃度は約１３％です。）

　水の中での密度の比較、水の密度と食塩水の密度の比較、区別して考える必要があるというのが分かりますね。

参考２　富山湾の蜃気楼
富山湾で蜃気楼が見られるのは雪溶けの時です。
黒部川のような大きな川から大量の雪溶け水が流れ込んできます。
流れ込んできた水は海水よりも密度が小さいですから混ざらずに上に浮きます。温度の低い水が表面を覆うことになりますから海上の空気の温度は海面近くで低くなります。温度分布の逆転現象が生じるのです。空気の屈折率は密度が小さい方（温度が高い方）が大きいですから一度地表から離れて上の方に進んだ光がもう一度地表にもどってくるという現象が起こります。見えるはずのない遠くの景色が見えるという「蜃気楼」が出現します。

No.1 回答者： cozycube1 回答日時： 2012/08/22 11:14

　かなり迷っていたんですが、一応、お答えしてみようと思います。

　氷は、まず水温との温度差で融けます。これは、実験に要したような長時間では考慮しなくていいでしょう（大きな水槽に氷を入れたのではないですから）。

　コップの水は氷に対して「充分」少ないです。すぐに氷と水温は同じになります。そこからは外部の大気との熱のやり取りです。

>予想では３０gから順番に氷が溶け切るだったのですが

　これは水などの比熱が低いとからという予想でしょう。ちょっと調べにくいですが、塩水は濃いほどそれが低いです。

　それは、たとえば1グラム当たりの水は濃い塩水ほどやすいということになります。

　すると、氷に接した水は冷えやすい。冷えた水は下に落ちやすい。なぜなら、少しだけ1ｍLあたりの比重が上がるから（同じ体積でも低温なほど重いということ）。

　氷からは水が下に行きます。一方、コップの表面は高い気温にさらされていますから、水を温めます。ならば、そこでは水は上がります。

　氷から下がって、表面で上がることによって伝わる熱です。これを対流熱といいます。

　比熱は低いほうが熱を伝えやすい。上記で言うならば、全体として冷えやすいはず。

　でも、結果は違った。

　なら、何が違うのだろう。対流を起こすには、水を動かさねばなりませんね。塩水を溶かしても水の体積は事実上変化はありません。重いものほど動かしにくい。力が要る。

　ならば、1mLの水は重くなる。それを加速する低温や高温は同じです。温度差による力は同じになります。動かしにくい。

　であるならば、塩水は「熱を伝えやすい」と同時に「対流を起こしにくくなる」の両方を考慮する必要があるでしょう。

　アルコールなどで比較実験ができるといいですね。家にある、できるだけ度数の濃いお酒（ブランデーとかは高いから、梅酒用の酒とか？）でもいいかもしれません。

　もちろん、こういったことはいろいろな条件の上に成り立ちます。もし、目立つ条件を見つけられたら、大成功ですよ。