DS930810のブログ

筆者は自然や自然現象に関心が相当あるので自然に関する記事(天文, 地理, 生物)を書いていきたいと思います。かつては1日2記事を適当な時間に投稿していましたが今のところは午後6時に1記事投稿する形にしています。

熱い氷は存在する! 実は圧力に関係しているがその圧力は高すぎる...

氷と言うと普通冷たいものをイメージしますが実は非常に熱い氷も存在することができるのです。

勿論、部屋の中で熱い氷が存在できるかと言いますと絶対に存在することはできませんが圧力さえ増やせば存在することは可能であります。

しかし、並大抵の条件では不可能で極限状態にしないと存在できません。

そして、今日はこのことについて書いていきたいと思います。

 

1. 温度と圧力とは?

よく、暑い寒いという言葉を使いますがあれは温度の高さによって決まっています。

まあ、湿度とかも考えると温度だけではないと思いますが...

 

そもそも温度と言うのは粒子の動く速度のことであり、温度の高い粒子は速く動き、低いものは遅く動いているのです。

速い粒子ほど多くのエネルギーを持っているため温度が高いということはエネルギーが多いともとらえることができます。

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つまり、温度を決めている要因は粒子の速度であることが分かります。

要するに1,000度ともなるととんでもない速度で粒子が衝突するために死ぬほど痛くなるわけ...

ちなみに化学や物理でよく使う単位はK(ケルビン)であり、絶対温度とも呼ばれており0Kとは粒子の速度がゼロになる温度と定義されています。まあ、分子振動とかがあるために正確に運動がゼロになるわけではないが...

 

まあ、これが温度であるがそれに対して圧力とは単位面積当たりにかかる力のことであり、単位はPa(パスカル)が用いられます。

圧力の発生源にはやはり粒子運動がかかわっており、閉じ込められた空間の圧力と言うのは空間内の粒子が壁に相当な階数衝突しており、その時衝突する回数、強さなどが圧力に関係してきます。

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まあ、粒子数はこんなものとは比較にならないほど多いが図には書ききれないので省略します。

 

このことより、温度と圧力には密接な関係があり、その関係を表した式にボイル・シャルルの式と言う物があります。

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ここでいうPは圧力、Vは体積、そしてTは絶対温度です。

つまり、体積が一定で、温度を2倍にすると圧力も2倍になるということです。

まあ、温度が高くなるということは粒子速度が速くなることなので当然圧力も強くなるが...

また、体積が半分になると圧力は2倍になります。

これも空間が半分になれば粒子の衝突頻度が増えるので想像するのはたやすいが...

 

以上のことより温度と体積には密接な関係があり、両者ともに粒子に起因していることが分かります。

 

 

 

2. 富士山頂では沸点が低くなる理由

富士山頂で沸点が低くなることは有名であり、その温度は87.8度です。

普段は100度で沸騰するが、何故富士山頂では沸点が低くなるのでしょうか?

その理由は圧力に関係しており、富士山頂の圧力は地上と比較してもかなり低く、大体地上の6割強程度しかありません。

圧力が低くなると分子を押す力が小さくなり、普段なら出ていかないような温度であっても空気が粒子を押さえられなくなるために低温でも沸騰、つまり粒子が空気中に出て行ってしまうのです。

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常圧下だと抑えられる粒子も定圧化では抑えられなくなり、ついには容器内を出て行ってしまう、つまり沸騰するのである。

 

このような理由もあり、低圧下では沸点が低くなり、富士山頂では低温でも沸騰してしまうのです。

世界には富士山よりも標高の高い首都があるがどのように生活をしているのだろうか?

また、エベレストだともっと沸点で低くなります。

 

ちなみに沸点と圧力を表す式にクラウジウス・クラペイロンなる式があるが専門的な式なのでここでは割愛します。 

 

当然ながら圧力が高くなると沸点は高くなるがこのことに関しては本題である熱い氷とも大きく関係します。

 

 

 

3. 熱い氷、超高圧で液化も許さない

 水の沸点は常圧下では100度ですが先ほども書いた通り、低圧となるとかなり下がっていき、富士山頂では90度になる前に蒸発してしまいます。

逆に圧力を上げていくと粒子が外に出ていくのを防いでいくために100度以上になっても水のままの状態となり、極端な話だと200℃の水だって作れます。

 

更に圧力を上げると水はおろか、氷の状態となり、100度をゆうに超える氷だって作ることは可能となります。

しかし、この時の氷の状態は普通の環境ではありえない状態となっているために分子構造も大きく変わり、別状態の氷となっております。

一説によると氷の状態は17種類も存在し、通常の状態ではまずありえない状態になっております。

 

けれども熱い氷を作るともなると並大抵の圧力では当然不可能であり、大気圧の1万倍程度の圧力を有する必要があります。

これだけの圧力ともなると普通の装置ではまず耐えられないために本格的な装置を用いることとなるので肉眼で観測することはできません。

 

熱い氷は確かに存在する。しかし、それを確認することはまず不可能と言っても過言ではありません、と言うより不可能です。

実際に熱さを感じることはできませんし、もししようとするならば熱さを感じるずっと手前で潰されます。

 

普段は常圧下で考えていますが圧力を変化させると常識を覆す状況にもなるのです。

実際に惑星の内部は異常に圧力が高く、木星土星に至っては液体金属水素なるものがあるぐらいですから...