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水やその他の液体に氷を入れると、氷がどのように溶けるかを見たことがあるでしょう。また、テーブルに置かれた氷がゆっくりと小さな冷たい水たまりに変わる様子も見てきました。しかし、2 つのケースのどちらがより速く溶けるのでしょうか?
この記事では、私たちが日常生活で直面している最も一般的な核融合現象の 1 つである角氷の融解の分析から、熱伝達に関するいくつかの重要な概念を説明しようとしています。
議論のために、いくつかの重要な概念を定義することから始めましょう。
合併プロセス
角氷の融解は、水が固体から液体の状態に変化する物理的な相変化プロセスです。このタイプの相変化は融解と呼ばれ、吸熱プロセスです。後者は、氷が溶けるために熱を吸収しなければならないことを意味します。つまり、氷の中で水分子をしっかりと保持している分子間力を壊さなければなりません。
このプロセスは、次の式で表すことができます。
ここで、Q融解は、水が融解するために吸収しなければならない熱です。
ご覧のとおり、氷を溶かすのに必要なのは熱だけです。したがって、水中または空気中の場合、氷がより速く溶ける時期を判断するには、どの状況で氷がより速く熱を吸収できるかを実際に尋ねなければなりません.
融合プロセスに影響を与える変数
核融合は、温度、圧力、液体中の溶質の存在など、いくつかの要因に依存するプロセスです。
融点
まず、この相変化は、融点と呼ばれる特定の温度で発生または観察されます。これが意味することは、物質が固体であるためには、その融点より低い温度でなければならないということです。
逆もまた然り。固体状態の物質 (氷など) が融解していない場合はいつでも、その物質が融点より低い温度にあることを確認できます。それを溶かすには、まず固体を融点まで加熱し、さらに熱を加えて溶かす必要があります。
これは私たちの問題にとって重要な意味を持っています: 氷がより速く溶ける場所を考えるとき、どちらの場合でも問題の氷が同じ初期温度であることを確認する必要があります. そうしないと、氷を融点にするために、1 つのケースでより多くの熱が必要になります。
圧力効果
ほとんどの固体の融点は圧力によって上昇しますが、水の場合はその逆です。これは、水の異常な性質によるものです。つまり、ほとんどの純粋な物質とは異なり、固体状態の水 (つまり氷) は液体の水よりも密度が低いということです。
これにより圧力が上昇し、氷が水 (比体積が小さい) に変化するのを助けます。したがって、水分子を分離して氷を溶かすのに必要な熱エネルギーは少なくなり、氷はより低い温度で (つまり、より簡単に) 溶けます。
溶質効果
一方、液体中の溶質や不純物の存在も融点に影響を与える要因です。実際、これは低温圧下または融点降下と呼ばれる溶液の集合的特性です。
水の融点に影響を与える可能性のあるこれら 2 つの要因を考えると、そのような媒体で角氷がどれだけ速く溶けるかに影響を与える可能性があるため、分析を継続して、どちらの場合も完全に溶けた水を扱っていることを確認する必要があります。純粋で溶質を含まない。また、どちらの場合も大気圧が同じで一定であることを確認する必要があります。これにより、問題の分析が大幅に容易になり、関心のある唯一の変数、つまり氷が液体の水または空気に囲まれているかどうかに焦点を当てることができます。
伝熱メカニズム
氷が溶けるには周囲から熱を吸収する必要があることはすでに説明しました。この熱は、最初に角氷をその融点まで加熱する役割を果たし、次に融解プロセス自体を実行します。
大きさ、形、質量が同じで、完全に純粋な水でできていて、初期温度が同じ 2 つの角氷から始めると、両方の角氷が溶けるのにまったく同じ量の熱が必要になります。
したがって、分析しなければならないのは、氷が熱をより速く吸収できる場所、つまり空気または液体の水です。これを行うには、対流、伝導、放射など、熱が伝達されるさまざまな方法を理解する必要があります。
熱伝導
この移動メカニズムは、異なる温度にある 2 つの物体 (または 2 つの熱力学的システム) を形成する粒子間の直接接触によって発生するものです。熱した鍋などに触れて手をやけどしたときに起こる転移です。また、氷と水の間、または氷と空気の間で発生する熱交換のタイプでもあります。
熱伝導率は、いくつかの要因によって異なります。その中には、接触面、温度勾配 (つまり、2 点間の温度差を距離で割ったもの)、および媒体の熱伝導率 (熱が材料をどれだけうまく伝導するかの尺度にすぎません) があります。
これらすべての変数のうち、両方の氷が同じ形状と同じ寸法であることを確認することで、接触面を制御できます。氷、水、空気の両方の初期温度を制御することで、温度勾配を制御することもできます。ただし、空気と水では熱伝導率が異なります。
対流
対流とは、液体や気体などの流体中で起こる現象です。これは、ある温度の流体粒子が温度の異なる領域に向かって移動することで構成されます。対流は、温度の違いによる密度の違いによって発生する動きであれば自然に発生する場合もあれば、熱い食べ物が吹き飛ばされるなどの機械的に発生する場合もあります。
放射線
最後に、すべての表面は電磁放射の形でエネルギーを放出します。例えば、火は対流によって発生する熱風に触れなくても、その明るさで私たちを暖めることができます。
では、氷が最も速く溶けるのはどこでしょうか?
これで、この質問に答えるツールがすべて揃いました。分析をできるだけ単純化するために、水の融解に影響を与える可能性のあるすべての変数を一定に保ち、空気と水に直接依存する変数のみを保持するようにします。
純粋な水でできた、同じ形と同じサイズの 2 つの同一の角氷から始めます。どちらも同じ初期温度です。1つは空気と同じ温度の水を入れた大きな容器に沈め、もう1つは空気と接触する断熱面の上に置きます。伝導以外のあらゆる形態の熱伝達を最小限に抑え、ドラフトのない密閉された部屋で実験全体を行います。
さらに、伝導は主に媒体の材料によって決まります。どちらの場合も、温度勾配は本質的に同じになり、接触面も同じになるため、熱伝達率、つまり氷が溶ける速度は、主に半分の熱伝導率に依存します。
水は空気の約 30 倍の速さで熱を伝導するため、氷は水中でより速く溶けます。
考慮すべきその他の要因
上記は、問題の詳細な分析を表すものではないことに注意してください。たとえば、氷が水に浮くという事実は考慮されていないため、氷の一部は空気にさらされ、水と熱的に接触することはありません。
同じことが空中にある氷にも起こります。なぜなら、それは必然的に何らかの表面に置かれている必要があるためです。この表面の熱伝導率が空気の熱伝導率よりも大きい場合、氷はこの表面からより速く熱を吸収し、より速く溶けます。
また、溶けると、表面と接触する溶けた氷（つまり水）の表面積が増加し、影響が悪化します。
それにもかかわらず、水と空気の熱伝導率の大きな違いに比べれば、これらの影響は小さいと見積もることができます。
参考文献
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