アイスコーヒーやアイスティーを作るとき、熱いコーヒー・熱い紅茶に氷を入れて冷やして作ります。
沸騰させた100℃のお湯に氷を入れて冷やしたら、お湯の温度は何℃になるのでしょう。
例えば、100℃のお湯に0℃の同量の水を入れたら50℃になるのでしょうか、水ではなくて氷を入れたどうなるのでしょうか。
考え始めたら、疑問だらけになってきたましたので実際に実験をしてみたいと思います。
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実験の基礎データ
| 難易度 | やさしい |
|---|---|
| 対象 | 小学校2年生以上 |
| 実験期間 | 30分 |
| テーマ | 実験 |
| 費用 | 0円 |
実験は優しく簡単にできるため小学生の低学年でも1日でできる自由研究です。
ただし、熱湯を使うため子供だけで行なうのは危険ですので、親が一緒に氷の研究をしてあげるようにしましょう。
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準備する道具
| 材料 | 分量・個数 |
|---|---|
| コップ（大） | 1個 |
| コップ（中） | 1個 |
| 温度計 | 1個 |
| 計量器 | 1個 |
| 氷 | 150g |
使う材料・道具は家のキッチンにあるものばかりなので、実験を行なおうと思ったらすぐにできます。
実験１：100℃のお湯に水道水を同量入れる
お湯の温度を一定にするために、沸騰させて100℃のお湯を作ります。
水道の水をコップに入れて水温を確認します。
このときの水道水の水の温度は-2.6℃でした。
大きなコップを計量器に乗せて、100℃のお湯を150ml入れます。
今回は、温度があまり下がらないように事前にコップにポットのお湯を入れてコップを温めてからすべての実験をします。
最初はコップが温まっていないため、100℃のお湯を入れると冷えるのが早くなり同じ条件で実験することができないため、ポットのお湯を9割ぐらいのところまで入れて1分程度温めたら、コップのお湯を捨ててから100℃の熱湯を注ぎます。
100℃のお湯を150ml入れたら、次に水道水を150ml入れます。
コップの中の水は100℃のお湯と-2.6℃の水が150ml入り、温度は何℃になっているのでしょう？
水道水の温度が少し低いので水温も50℃を少し下回る温度になるのでしょうか。
水温をはかってみたら「51.2℃」でした。
50℃を下回りませんでしたが、100℃のお湯に-2.6℃の水を150mlずつ入れたら水温が約半分の50℃になりました。
実験２：100℃のお湯に0℃の水を同量入れる
実験１では、単に100℃のお湯に水道水を同量入れて実験をしてみましたが、水温は51.2℃でした。
では、100℃のお湯に0℃の水を同量入れたら水温は何℃になるのでしょうか？
・50℃になる
・50℃よりも高くなる
・50℃よりも低くなる
実際に実験して何度になるのか確認してみましょう。
水道水の水温を0℃に調整します。
お湯や氷を入れて水温を図りながら調整しましょう。
100℃のお湯150mlに0℃の水150mlを入れたら何℃になるのでしょうか？
100℃のお湯150mlに0℃の水150mlを入れたら、今回の実験では57.8℃になりました。
半分の50℃よりもはるかに上の温度になりました。
実験３：100℃のお湯に20℃の水を同量入れる
水道水の水温を20℃に調整します。
お湯や氷を入れて水温を図りながら調整しましょう。
100℃のお湯150mlに20℃の水150mlを入れたら何℃になるのでしょうか？
100℃のお湯150mlに20℃の水150mlを入れたら、今回の実験では71.0℃になりました。
0℃の水を入れたときよりも13.2℃高い水温になりました。
実験４：100℃のお湯に氷を同量入れる
氷を150g準備します。
氷を入れたコップの中に温度計を差し込んだら-16.1℃でした。
100℃のお湯150mlに氷150gを入れます。
氷が溶けるようにお箸やスプーンなどでかき混ぜて、氷を全て溶かします。
このとき、ステンレス製のスプーンを使うと温度に変化が発生するかも知れませんので温めると、温度にあまり影響がない木製のものを使うといいです。
氷が全て解けた水温をはかってみると-1.8℃でした。
かなり低い水温になりました。
実験結果
同じ量の水とお湯を入れて混ぜたときは、温度の変化は次のように変化しました。
| 種類 | お湯 |
|---|---|
| 水（-2.6℃） | 51.2℃ |
| 水（0℃） | 57.8℃ |
| 水（20℃） | 71.0℃ |
室温やコップの温度など実験を行なう上での環境で水温が左右されますが、100℃のお湯150mlに0℃の水150mlを入れたら約50℃になります。
では、氷を同量入れたときはどうでしょう。
水が氷になるのは0℃ですが、冷凍庫の温度は-18℃程度に保たれています。
そのため、冷凍庫から取り出した氷は0℃よりも低い温度になっていて、今回の実験でも-16.1℃になっていました。
水と同じように100℃のお湯に氷を入れたら-1.8℃と予想以上に低い水温になっていました。
これは、氷を溶かすのにエネルギーを使うためです。
1gの水を1℃上げるのに必要なエネルギーは1calですが、1gの0℃の氷を溶かして0℃の水を作るのに必要なエネルギーは約80calが必要です。
教科書では融解熱（潜熱）で説明されていると思いますが、氷の融解熱は1g当たり約334ジュールで、これをカロリーで表記すると約80calになります。
100℃のお湯に氷を入れると、お湯が持っている熱エネルギーは氷を溶かすために使われるため、0℃の水を混ぜたときに比べて低い水温になります。
| 項目 | 氷 | お湯 | 混ぜた水 |
|---|---|---|---|
| 重さ | 150g | 150g | 300g |
| 熱量 | -12,000cal | 15,000cal | 3,000cal |
| 温度 | 0℃ | 100℃ | 10℃ |
氷と100℃のお湯を混ぜたときの予想温度は10℃になりますが、氷の温度を0℃にしたときの理論値です。
氷を常温に置いておき、半分くらいの氷が解けた状態だと氷の温度は0℃に近くなっているので、この計算式に近い温度になると思います。
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まとめ
水・氷・お湯を使った実験をすると、あれはどうだろう、こんな実験もしたら面白いかもと次から次と疑問に思うことが出てきます。
ただ、子供たちは長時間集中して行なうことが苦手ですよね。
でも、興味があること、好きなことをするときは夢中になって何時間でも行ないます、ゲームなんかそうです。
こういった理科実験も、興味を持つと面白くなり、時間を忘れて試してみたくなると、自由研究のまとめ方にも大きな違いが出てくると思います。
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