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。

物質は熱すると大きくなる その理由と応用例

よく熱い空気は軽いと言われますね?

あれにはきちんと訳があり、今回はその理由について書いていきたいと思います。

 

1. 熱い空気は激しいから軽くなる

熱い空気が軽い理由は激しく空気分子が動き回っているからです。

何故激しく動き回っていると軽くなるかと言うと気体の体積と言う物は気体の動ける範囲で決まっており、激しく動き回っている空気は当然ではあるが動ける範囲も広く、同じ質量の場合だと暖かい空気のほうが動ける範囲が大きくなるために体積が大きくなり、結果として単位体積当たりの質量は暖かい空気のほうが軽くなるのです。

 

このことは気象現象や応用例もあり、

低気圧が発生する要因は海の空気が暖められることによって水蒸気が発生し、暖かい水蒸気は軽いために当然上昇し、上昇気流を生み出します。

そして、上昇気流が生じると気圧が低くなるために低気圧が発生するのです。

...このことに関しては本当に最近の記事で書いたことですがあの現象も暖かい空気が軽いことによって起こりゆる現象です。

 

勿論自然現象だけではなく、応用例も存在しておりその代表は気球であります。

気球は熱気球と呼ばれることもあり、気球の中に熱した空気を入れることによって浮かばせます。

この時起こっている現象は言うまでもありませんが浮力であり、浮力は体積が大きいほど大きくなります。浮力の要因となっているものは周りにある常温の空気であるため周りの空気よりも軽ければ当然ではあるが重力よりも浮力のほうが大きくなるために気球は上方向に浮きます。

そして、気球には当然ではあるがバルーンの部分だけではなく、ゴンドラの部分もあるためにその重さを考慮しても浮くぐらいバルーンを大きくしなければなりません。

 

また、温度を高いままにしてしまうと上に行き続けてしまい、釣り合う所まで行くと酸欠や気温の低下が起こり、とても生きていけるような状態ではなくなるので温度を下げる調整を行わなければなりません。

気球で熱を調整する理由はそのようなところにあり、気球と言う乗り物は空気の温度が制御しているといっても過言ではありません。

 

言うまでもありませんが気球は個人でできるようなものではなく、ゴンドラの重さが重くなるとバルーンの大きさが相当大きくならないと浮かぶことさえもできません。

また調整も難しく、調整に誤ると地上に激突したり巨大な加速度がかかるので非常に危険な状態となってしまいます。

 

このように空気が温度によって重さが変わる現象は熱気球に応用されているが実は気体だけではなく、液体、固体も熱いほうが軽くなるのです。

 

 

 

2. 液体の場合は

液体の場合も気体ほどではないが体積が膨張します。

液体は分子が形状を保たないもののお互いの分子が影響を及ぼすぐらいの範囲を動き回っているものであり、気体とは違って体積はかなり小さいです。

そして、液体も温度が上がると当然ながら動き回る範囲が大きくなり、結果として体積が大きくなります。

 

その応用例として代表的なものとしては温度計があります。そして、温度計の中には灯油(赤いもの)が入っており、何故赤いかと言うと単に着色をしているからです。

そして、水銀が使われてるもの(中身が銀色のもの)もあり、灯油のものとは性質が異なります。

 

ここからは若干脱線しますが温度計の話になります。

まず灯油温度計の話をすると灯油温度計は灯油を用いているので万が一温度計が割れてしまってもそこまで悪影響は起こらず、安全性の面では上回っています。

そして、灯油温度計の中身は数種類存在し、エタノール, ケロシン, トルエンなどであり、有効温度は

  1. エタノール : マイナス50~50℃
  2. ケロシン : マイナス30~200℃
  3. トルエン : マイナス100~80℃

であるので高温のものを図りたいときはケロシン温度計

低温の場合はトルエンを用いればよいのです。

 

そして、もう一つの温度計である水銀温度計は精度の面に関しては体積膨張率が低いがゆえに灯油温度計を上回っているが安全性の面では水銀が有毒物質であるがゆえに下回っており、割ってしまうと大変危険なことになってしまいます。

ちなみに有効温度の範囲では水銀の液体でいられる範囲より、下限はマイナス38℃とそこまで高くないが上限は360℃と灯油に比べると非常に高くなっています。

水銀温度計の利点は何としても上限の高さと精度であるのでこちらのほうを重視したい場合は水銀温度計を使うべきです。

逆に日常生活にはあまりにも危険すぎるので使うことは控えたほうがいいと思います。

 

 

以上のことをまとめると

灯油温度計の特徴

  • 安全性が高い(日常生活に使える)
  • 低温の範囲は広い(極寒の地域でも使える)
  • あらゆる種類がある
  • 精度はあまり高くない

 

水銀温度計

  • 精度は非常に良い
  • 300℃ぐらいのものにも有効
  • 安全性は低い(日常生活には使えない)

 

ので灯油温度計は日常生活に、水銀温度計は実験用に使うべきであります。

 

 

 

3. 固体の場合

固体とは液体や気体と違い、秩序よく分子が並んでいる状態であるので一見熱しても体積が増えないようにも思えます。

しかし、実際は分子運動が激しくなるので秩序がある状態下で膨張します。

よって、固体の場合でも熱ければ熱いほど体積は膨張するのです。

 

けれどもこれに至ってはあまり良い応用例は無く、かえって生活に不備を及ぼしています。

その例としては線路が挙げられ、実は夏と冬では長さが変わってしまいます。

 

当然ではあるがそのことを考えずに設計すると脱線事故が多発する状態となり、大変危険であり、実際に伸びる長さは40℃の時は10℃の時と比較して25mに対して9mmほどであり、あまり大きいとは言えないが気温と地表の温度は全く異なる上に鉄の比熱は相当小さいために信じられないような温度となっております。

実際に鉄道は60℃を超えると曲がってしまい、危険ゾーンに入ります。60℃と言う温度は一見ありえないように見えるが炎天下の状態だと意外なほどあっさりとこの温度に到達するので危険性は相当高いです。

 

このままだと先ほど書いたように脱線多発で死傷者が数多く出る上に鉄道が崩壊するために対策も当然なされています。

 

それはレールの間に脱線しない程度の隙間を作り、線路が伸びた時でも安全でいられるようにすることです。

よく電車に乗っている時にガタンゴトンと言う音がなるがあれはその隙間の上を通っているからであり、あの音は熱膨張に対する対策音とも言えるのです。

つまり、夏場になるとガタンゴトンの音は冬場よりもはっきりと聞こえなくなると思われます。そして、ガタンゴトンの音が小さくなりすぎると危険なサインとなっていると考えたほうが良いです。

 

 

 

このように、物質の熱膨張は役に立つこともあるが危険なことにもなることもある現象であります。