理科の自由研究／熱ってなんだろう

[ ものはどのようにあたたまるのだろう ]
水と砂のあたたまり方はどうちがうのでしょうか。
地球は「水の惑星」といわれていますが，水は何か特別なのですか。
サウナとお風呂とではどうちがうのですか。

[ 熱はどのようにして伝わるのだろう ]
お風呂の湯は上が熱いですね。
容器に入れた水は，どうして上から凍（こお）るのですか。
冬，ストーブの前に人がいると暖かくありません。なぜですか。

[ 熱によって物の状態はどう変化するのだろう ]
「水，氷，水蒸気」これはみな同じなのですか。
物を熱していくとぼうちょうして大きくなるといいますが。

詳しい解説は

　暑い夏，思いっきり太陽の熱を吸収しよう。
　もう海へ行ったかな？
　海岸の砂浜の砂は熱くてさわれないほどだ。しかし，海へ入れば冷たくて気持ちがいいよ。なぜだろう。

● ものはどのようにあたたまるのだろう
　→『スーパー理科事典』 p.500参照
Ｑ：水と砂のあたたまり方はどうちがうのでしょうか。
　同じ重さの水と砂を用意し，同じように熱して実験をすると，砂の方が５倍もあたたまりやすいことが分かります。
　もののあたたまり方の基準として，「比熱（ひねつ）*1」を用います。
　比熱の小さいものほど，「あたたまりやすく，さめやすい物質」なのです。
　→水と砂では，どちらが比熱が小さいのでしょうか？

Ｑ：地球は「水の惑星」といわれていますが，水は何か特別なのですか。
　水の比熱は物質の中でいちばん大きいのです。
　ですから水は，「あたたまりにくく，冷めにくい」という特徴があるのです。
　→月には水はありません。地球と月の気温の変化はどうちがいますか？

Ｑ：サウナとお風呂とではどうちがうのですか。
　サウナ室の中は，１００度に近い温度ですがやけどをしませんね。
　お風呂の温度はおよそ４０度ぐらいですが，熱く感じますね。
　これは，空気とお湯が一定量（単位体積）あたり，どれだけ熱の量を持っているかのちがいなのです。

● 熱はどのようにして伝わるのだろう
　→『スーパー理科事典』 p.501参照
　もの（固体），水（液体），空気（気体）によって，熱の伝わり方がちがいます。
○ 伝導……もの（固体）があたたまるとき，熱が移動して伝わっていく。
○ 対流……水（液体）や空気（気体）では，流れが起きて熱が伝わっていく。
○ 放射……太陽の熱やストーブからの熱は，直接私たちに伝わってきます。

Ｑ：お風呂の湯は上が熱いですね。
　暖かい水は，冷たい水より軽い*2のです。→これが対流の原因です。
　このことから考えましょう。

Ｑ：容器に入れた水は，どうして上から凍（こお）るのですか。
　熱の対流と伝導が関係しています。
　『スーパー理科事典』p.502を見てください。

Ｑ：冬，ストーブの前に人がいると暖かくありません。なぜですか。
　ストーブの熱は「放射」によって直接私たちに届きます。
　このことから考えてみましょう。
　太陽からの熱も同じことです。光の当たっている部分が暖かいですね。
　（問題）　ストーブの前に物があっても，長い時間がたつと暖かくなるのはなぜでしょう。*3

● 熱によって物の状態はどう変化するのだろう
　→『スーパー理科事典』 p.502参照

Ｑ：「水，氷，水蒸気」これはみな同じなのですか。
　「水，氷，水蒸気」は水が温度によってちがった姿*4を見せているのです。

　温度が変化するにつれて，上の図のように水の粒子（りゅうし）の結ばれた状態が変化していきます。
　○ ０度以下の氷の状態は，水の粒子が固く結ばれた状態です。
　○ ０度～１００度の水の状態は，水の粒子の結びつきが悪くなっています。
　○ ０度以上の水蒸気では，水の粒子の結びつきが無く，粒子は自由に動き回っています。

Ｑ：物を熱していくとぼうちょうして大きくなるといいますが。
　一般に，温度が高くなると，ものの体積も大きくなります。
　水の場合４度のときもっとも体積が小さいのです。*5このことは覚えておきましょう。
　水の場合，４度以下の氷のときも体積が大きくなります。*6注意しましょう。
　（問題）　レールや橋のつなぎ目はどうなっているのでしょう。*7

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＊１　比熱……物質１ｇの温度を１度上げるのに必要な熱をいいます。
　比熱の単位は「cal/g度」で表されます。

物　質	比　熱
水	1.00
海　水	0.94
氷	0.50
木　材	0.30
砂	0.20
ガラス	0.17
鉄	0.11

＊２　暖かい水は，冷たい水より軽い……一般に，暖かいものは冷たいものよりも密度が小さい。例えば，地上で熱せられた暖かい空気は軽くなり，上昇気流となって上空へ押しやられます。
密度→『スーパー理科事典』p.406参照。
＊３　（問題のヒント）だんだん暖かくなるのは，空気に伝わった熱が対流します。
＊４　物質の「気体，液体，固体」の３つの姿（状態）を「物質の三態」といいます。
＊５　水の場合，４度のとき密度が最も大きく，１ｃｍ³／ｇです。
＊６　氷は，水に浮いていますね。「氷山の一角」ということがあります。
＊７　レールや橋のつなぎ目を観察してください。
　（問題のヒント）物のぼうちょうに関係あります。

■詳しい解説は→『スーパー理科事典』 p.490-497参照
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（第19回　2001.7.29）