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​空気の体積と温度の実験3連発

​空気などの気体は圧縮されると温度が上昇し、膨張すると温度が下降します。この性質を使った実験です。

​実験1:圧縮発火器で火をつけよう

​材料:圧縮発火装置、うすい紙

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発火装置を準備します。少量の紙を発火台に乗せます。圧縮棒を立て思い切って押します。点火します。

​この時の温度変化を簡単に計算します。体積が1/10に圧縮されたとすると、気温27℃(300K)とします。

​T1=T0(V0/V1)^0.4 という関係があり、これに数値を入れると

T1 = 300(1/(1/10))^0.4 = 300*10^0.4=300*2.51 = 753K = 753-273 = 480℃

​紙の発火温度は450℃程度ですから、燃えます。東南アジアでは携帯用の発火器として使われていました。なおこの圧縮発火器が元となってディーゼルエンジンが開発されたことはご存じでしょうか?詳しくは関西大学博物館にあります。下のリンクをどうぞ

​実験2:ペットボトルで雲を作ろう

​材料:ペットボトル、線香、ぬるま湯

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​ペットボトルを用意します。ぬるま湯を入れ水蒸気で満たします。線香の煙を入れ水蒸気が凝縮しやすくします。フタをして、手で圧縮します。手を離すと膨張して温度が下がり水蒸気が水になり雲になります。空気を押し込み減圧する専用器具があります。便利ですが、道具を使うことで本質が分かりにくくなります。プロフィールにも書きましたがブラックボックス化は避けたいものです。

​エアコンの仕組み

実験1,2から、冷房では空気を断熱膨張をさせて冷たい空気を出していると思いたくなりますが、実際には圧縮や膨張するのは冷媒と呼ばれるガスです。このガスにフロンが使われていて問題になっています。

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室内の熱い空気を熱交換器を通した際に熱を冷媒に与えます。温度の下がった空気をエアコンから出します。冷媒は熱をもらい、その熱を室外に放出します。この時に圧縮してさらに温度を上げて、室外の空気に熱を与えます。その後膨張させて温度を下げ、また室内の空気を冷やします。冷媒と空気の温度差がある方が熱を効率的に伝えるので、圧縮・膨張をさせます。この冷媒に使用されるのがフロンガスでオゾン層破壊の原因となります。現在、オゾン層破壊の少ない、代替ガスが開発されています。

​実験3:ペットボトル温度計を作ろう

​材料:ペットボトル(炭酸飲料のもの)、ストロー2本しっかりつなげたもの、食紅、接着剤、千枚通し、油1滴

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​ペットボトルは炭酸飲料用のしっかりしものにします。ストローを2本つなげてふたに通します。食紅で染めて液を見やすくします。空気を100mlほど入れ、フタをしっかり閉めます。液の一番上に油を一滴落として蒸発を防ぎます。気温が1℃変化すると体積が1/273だけ変化します。直径5㎜のストローですと100mlの1/273の体積0.37ml変化しますので約0.46㎝水位が変わります。空気や液体が漏れないようにしっかりと作ってください。

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