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2016-03-27[n年前へ]

「氷と食塩で冷やすアイス作り実験」と「華氏や摂氏の定義」  share on Tumblr 

 花見に行った先で「(こども向けの)アイスを作る実験」をやっていて、それをとても楽しく興味深く眺めた。「面白かった」一番の理由は、その実験過程を説明するには、どう考えたら良いのだろう?」と考える過程が何より面白かった。
 実験自体は単純で、「ビニール袋に氷と食塩を入れて、そこにビニール袋に入れた牛乳とかアイスの材料を入れて、振ると、アイスができる」というものだった。問題は「塩を入れることがなぜ効果的で必要か」ということだ。TV番組の解説なら、「凝固点降下で温度が下がるから」といった答えが用意されるのだろう。しかし…それはもちろん正解なのだろうけど、それで納得できるのは、「ものわかりが良くて”頭が良い”人」だけに違いない。
 冷凍庫から出した氷はだいたいー18度〜−20度くらい。少し暖まった状態で、−15度くらいというのが普通だろう(実際に冷蔵庫から出した氷の温度を計ってみると−19度だった)。そんな氷に塩化ナトリウムを濃度を高く振りかけたとしても、(溶液の)到達温度はせいぜい−20度強程度…つまり、”氷と水と塩で到達可能な最低温度”という歴史的定義の、ほぼ0ファーレンハイト(華氏)な温度にしかならないだろう(おっと、この問題には温度の定義の歴史まで登場したぞ)。…すると、熱伝導的には−20度弱の氷が−20度強になったところで、アイスの材料を「冷やす効率」に関しては何の違いも生まれそうにない。そこで、もう少し、生じそうな現象を追いかけて想像して・考えてみる。
 まず、必要事項としてありそうなことは「アイスの材料を包むビニール袋の周りにあるのが固体の氷だけだと、ビニール袋の周りに必ず空隙ができてしまい、空気を介しては、(空気の比熱や熱伝導率を踏まえると)熱伝導率的に圧倒的に冷却効率が悪い」ということだ。それに、氷の比熱とアイス原材料の比熱を考えると、アイス原材料のそれの方が2倍程度大きい程度だろう。そして、それらの温度が(単純のために)それぞれ−20度と20度くらいとすると、そして体積というか重量がおそらく同じ程度だとすると、「氷は必ず溶けざるを得ない」ということになる。さらに、これらから「アイスの周りは氷が溶けた液体が(熱伝導の効率的には)いるべきだし&ある時点からは(熱エネルギー的に)必ずいる」ということになる。
 すると、この時点でようやく、ビニールの周りの温度が(氷が溶けつつある水の温度である)摂氏ゼロ度の水か(塩と氷と水が作り出す最低温度である)華氏ゼロ度の食塩水と…そのどちらである方が熱伝導的に好ましいか?という話になりそうだ。すると、当然のごとく、食塩を入れることがアイス実験的に必要だ」ということになる。
 こども向け実験ってあまり見る機会が無いから面白かったけど、…もしも(こども向けでなくて)大人向けのアイス作り実験とかあったなら、一体どんな内容になるんだろうか。



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