クエリ: 水は氷ると体積が増えるのは何故?
文章: 氷 結晶 無色透明(水以外の不純物や空気が混じらない場合)で、六方晶系の結晶を持つ。融点は通常の気圧で摂氏0度。ただし、圧力を変えることで相変化を起こし、結晶構造や物理的性質に差がある、様々な高圧相氷になることが知られている。この場合、我々が普段目にする「普通の」氷は「氷I」と呼ばれる。現在のところ、圧力が高い状態において氷IIから氷XVI(16)まで発見されている[1]。特に、極めて高い圧力下では、水素結合が縮んで水分子の配列が変わる。このように様々な相が存在することを多形という。 熱 氷は特異的に凝固熱、融解熱が大きい。例えば融解する時に、潜熱として1キログラムあたり約 80 kcal (333.5 kJ) の熱を周囲から奪う。これは同量の水を0°Cから80°Cまで温めることができるほどの熱量である。雪を食べると体力を消耗するとして、寒地では(特に遭難時)禁忌とされている。また、氷は圧力により界面が融解する性質がある。これは後述する通り、氷が水に比べて密度が低いことに由来する。スケート、スキー、カーリング、そりなどはこれらの性質を活かしている。 体積 通常気圧において凍る際は体積が約11分の1増加する。すなわち、比重が0.9168 と小さくなり、水に浮く。物質は温度が低くなるほど分子の振動が小さくなるため、通常であれば温度が低くなるほど密度は大きくなり、従って気相よりも液相のほうが密度が大きく、液相よりも固相のほうが密度が高い。このように固相の方が液相よりも密度が低い物質は非常に珍しい。これは液相の水分子が水素結合で強固に結びついており、固相の場合よりも分子間の距離が小さいことが原因である。また、密閉された状態で凍ると周囲の物質を押し出し、時に破壊する。例えば岩の隙間に水が入り込んで氷になると、岩を破壊する。冬季の寒冷地では水道管の破裂を防ぐため、夜間は水抜栓を用いて水を冷気の及ばない地中に落とし、凍結を防ぐ。清涼飲料水類の缶にも「凍らせないでください」という注意書きが書かれている。 不純物 液体が固体になる時、溶解している物質は結晶構造に加わらずに濃縮される。冷蔵庫などで氷を作ると、内部に白く気泡が残されるのはこのためで、気泡中には、溶けていた空気(二酸化炭素やその他不純物)が閉じ込められている。一方、透明な部分は不純物が少ない、純度が高い水になっている。透明な氷を作るためには、なるべく純粋な水をゆっくり凍らせる必要がある。一般に、一度煮沸して気体を追い出したり、大部分が凍結した段階で不純物が集まった水の部分を捨てたりするなどの方法が取られる(濃縮された方に用がある場合は、凍結濃縮法と呼ばれる)。
文章: ダイラタンシー このようにダイラタンシーはもともとは粉粒体の体積(容積)が変化することであるが、粉粒体のすき間にある液体や気体が体積変化に伴って粉粒体から急に出たり吸いこまれたりすることにより、予想しにくい現象が起きるため、そちらが注目されるようになった。例えば濡れた手ぬぐいを絞ると水が出てくるが、濡れた砂に急に力を加えると砂から水が引いて乾いて見える。「少量の液体を含んだ粗大粒子系が急激な歪みをうけることにより硬化する現象はダイラタンシーといわれる」という定義が出てくる。 文章: カロリック説 同体積の水と水銀を、共通の熱源から等しい距離に置き、同時に温めると、水銀の方が温度が早く上昇した。これはジョージ・マーチンが1739年に行った実験である。また、ファーレンハイトは、温度の異なる水と水銀を混合させると、混合したときの温度は両者の中間ではなく、それよりも水に近い温度になるという結果を出している。すなわち、水銀は水よりも温まりやすいことになる。 文章: 海氷 海氷(かいひょう、)とは海水が凍結したものである。海水は塩分を含むため融点は-1.8°Cほどである。定着氷(fast ice)は海氷が沿岸にそって凍り沖へ広がったもので、流氷(pack ice)とは、凍結・密集し岸から離れて漂流する海氷、もしくはそれらが岸へ漂着したものを言う。"氷盤"(ice floe)とは、浮かんでいる海氷の塊で最大径が10 kmより小さいものを指し、それより大きな氷盤は"氷原"(ice field)と呼ばれる。 文章: アポプラスト 活発に生長している大麦の細胞1gにはセルロースとその他の多糖類がそれぞれおよそ10mg存在する。植物個体に占める細胞壁体積の割合は5-15%程度であると考えられている。細胞壁中の溶液空間の大きさは、植物重量から予測される全体積のおよそ10%と推定されている。細胞壁空間の孔の大きさは5nm程度と考えられている。細胞壁の溶液空間は、水和した無機イオンの10倍の直径を持つトンネルで構成されていると予測されている。これらのトンネルが、水に満たされた状態で細胞膜の外側を縦横に張り巡らされていると考えられている。 文章: 含水率 含水率(がんすいりつ)とは、物質に含まれる水分の割合を示したもの。重量基準と体積基準の含水率があるが、単純に含水率と呼ぶ場合は、重量含水率を示す。無次元量であり単位はなく、通常は百分率(%)を用いて表される。 文章: ドラえもんのひみつ道具 (な) カップの中に入れた物の体積を大きくする道具である。液体の量は増えるが、固体はただ大きくなるだけとなる(ラーメンを大きくした場合、スープは量が増えて麺や具はそのまま巨大化する)。 文章: プレッシャー・リッジ 極端に寒い時には、氷の体積は他の全ての固体のように収縮し、完全に凍結した湖の表面には亀裂による開口部ができる。その亀裂はすぐ水で満たされ再び凍結するが、時間が経って温度が上昇すると氷は膨張して氷自体を亀裂の線に沿って上方に押し上げようとする力となる。これは大変小さな規模だがプレートテクトニクスが山脈を形成することとほぼ同じ原理である。 文章: ジョン・ドルトン 1817年から亡くなるまでドルトンは Lit & Phil の会長を務め、多数の論文をその学会誌に発表した。ただし重要な論文は初期のものに集中している。1814年の論文では、定量分析(滴定)の原理を解説しており、その分野では最初期のものである。1840年にはリン酸塩とヒ素に関する論文を王立協会に提出して出版を断わられ、激怒して自分で出版した。その後も4つの論文が同様の経過をたどった。中でもそのうち2つ(「様々な塩に含まれる酸、塩基、塩の量について」と「砂糖の新たな容易な分析法について」)はドルトン自身が原子説に次ぐ重要な論文だと考えていた。その中である種のカルボン酸無水物を水に溶かしたとき体積が増えないという現象について、水分子の隙間に塩が入り込むからだと推測している。 文章: 海氷 このパドルが深く成長し拡大するにつれ、氷原の縁やひび割れを通して融解水が海面に排出される。また、氷が最も薄い地点やパドルの最も深い場所で融解してできた孔("底なしパドル"thaw holes)を通して排出されることもある。底なしパドルが開いた時、融解水は一気に流れ出る。定着氷のように水平な氷の上では、氷板表面の大部分の水が一つの底なしパドルから排出されることがある。このような孔は上空から見ると"巨大な蜘蛛"(パドルが"体"で、そこに向って流れる融解水の水路が"足")のように見える。 文章: マイヤーの関係式 物体の温度を1°C上げるのに必要な熱量を、その物体の熱容量という。同じ物体でも、一定の圧力のもとで加熱したときと、物体の体積を一定に保って加熱したときとでは、温度を1°C上げるのに必要な熱量が異なる。一定の圧力下での熱容量を定圧熱容量と呼び、記号 で表す。体積を一定に保ったときの熱容量を定積熱容量と呼び、記号 で表す。気体・液体・固体のいずれの場合でも、不等式 が常に成り立つことが知られている。この不等式は、一定圧力のもとで物体の温度を1°C上げるには、体積一定で1°C上げるときよりも熱を余計に加えなければならないことを示している。物体の熱膨張率をゼロとみなせる特別な場合に限って、この「余計な熱」が不要になる。熱膨張率がゼロなら、圧力一定で加熱したときに体積もまた一定に保たれるので となるからである。極低温の固体や、4°C付近の水がこの場合に相当する。 文章: 氷 氷の結晶構造は、2014年に新種が見つかり、現在17種の多形と[1]、様々な密度のが判明している。 文章: 海氷 融解水の最も重要な役割は、氷の結晶内に残っていたブライン(濃い塩分水)を、微細な孔や割れ目や水路を通して大量に放出させることにある。 文章: 氷震 「サイエンス誌2007年8月24日号」に掲載された研究結果によれば、1996年以降に海へと流出した氷の半分以上が、氷河の融解と崩壊によるものであり、このことによって巨大な氷塊(大きいもので0.5km3)が急速に海へと割れ落ちて大量の淡水が陸から海へ移り、海面が上昇したといわれる。 文章: ダルシー・ワイスバッハの式 流体工学上、本式は配管の体積流量を用いた損失水頭式にした方が望ましいこともある。先に記載された本式の損失水頭式に次の式を代入する必要がある。 文章: アルキメデス 何日か悩んでいたアルキメデスはある日、風呂に入ることにした。浴槽に入ると水面が高くなり、水が縁からあふれ出した。これを見たアルキメデスは、王冠を水槽に沈めれば、同じ体積分だけ水面が上昇することに気がついた。王冠の体積と等しい、増えた水の体積を測れば、つまり王冠の体積を測ることができる。ここに気がついたアルキメデスは、服を着るのを忘れて表にとびだし「ヘウレーカ()、ヘウレーカ!(わかった! わかったぞ!)」と叫びながら、裸のままで通りをかけだした。確認作業の結果、王冠に銀が混ざっていることが確かめられ、不正がばれた金細工師は、死刑にされてしまった。