コップの水は氷で凍りますか？

質問

実験したわけではないのですが、１～２℃位の水が入ったコップにマイナス数十℃の氷を入れてかき混ぜると水は凍りますか。
計算では凍るはずですが、生活の中でそのような経験はありません。
もし、凍らないとしたらなぜでしょう。

回答No.5

noname#215107 · ベストアンサー

凍りにくい原因を考えてみました。

マイナス数十℃の氷を水に漬けると、まず、氷の表面に新たな氷が出来ます。
表面に出来た氷はそれほど温度が低くありません。
そうすると、中心部の冷たい氷と、水との間に、氷で出来た断熱材が出来てしまいます。

中心部の氷が水の熱を奪いにくくなるので、水が凍りにくいということではないでしょうか。

お礼

回答ありがとうございました。
結局簡単には凍らないということでしょうか。

回答No.12

debukuro

水と氷の質量比で凍ることも凍らないこともあります。
自分でいろいろ実験される方が勉強になります。
ぜひ実験されるようお薦めします。

お礼

結局外部の熱を遮断できるかどうかで決まるようですね。
回答して頂いた皆様ありがとうございました。

回答No.11

YHU00444

ついでに液体窒素で氷を冷やしてみたらどうだろう？と思って計算してみたら、T_i=-196ぐらいだからa=0.99。
ということで、これなら何とかご所望の現象が期待できるのではないですかね。（といっても空気の対流もあるので、氷の方を多めにしないと完全に凍り付きはしないでしょうが）

お礼

回答ありがとうございました。

回答No.10

YHU00444

簡単に計算してみました。
系の熱量をQ_i,Q_f、水の温度をT_w、氷の温度をT_i、系の終端温度をT_f、水・氷の熱容量をそれぞれC_w,C_iとすると、水x氷yに対して
Q_i=C_w*T_w*x+C_i*T_i*y,Q_f=C_i*T_f*(x+y)（全て氷結したと仮定）。
水の潜熱をΔQとしてQ_f-Q_i=x*ΔQ。
これを適当な条件、たとえばT_w=15,T_i=-10,T_f=0で計算すると、C_w=1,C_i=0.49だから、y/x=aとして、a=(15C_w+ΔQ)/10C_i=19.39。
よって、水の約20倍の重さの氷を入れないとダメだということが分かります。

ちなみに、ここで氷が暖まってT_i=-3になったとするとa=64.63ですから、これではどうにも凍らない感じがしますね。

お礼

回答ありがとうございました。ちょっと難しすぎて理解できません。

回答No.9

Sompob

普通の大気圧で水が氷になる時、
１ｃｃに付き、８０ｃａｌの熱を奪わないと凍ってくれないの。

１００ｃｃの水。
摂氏２度から初めて、先ず、摂氏０度に下げるに２００カロリー
必要。
ここから固体に相転移させるに８０００カロリー必要。
ここから氷点下１度に下げようとすると更に１００カロリー。
合計８３００カロリーが、氷から供給出来れば凍るね。

ジュールで謂うと６６．７ＫＪ。

貴方の想像より大きいエネルギーかと。
つまり、使っている氷の量が少ないだけなんです。

お礼

ありがとうございました。

回答No.8

noname#62864

０℃の水1グラムを凍らせるのに80カロリーが必要です。
氷の比熱は知りませんが、仮に-100℃程度の氷を同量の水と混ぜれば凍るでしょうね。
-30℃の氷であれば、その３分の１程度の量の水であれば凍ると思います。

現実問題として、冷凍室から出した直後の氷に少量の水を振りかける程度であれば凍ると思います。
ただし、通常の水温は０℃よりも高いでしょうから、それを０℃に冷やすために余分の氷が必要ですし、水の中に氷を入れるのでは、氷の量が少なすぎます。

なお、水が凍ったり、氷が溶ける時には大量の熱の出入りがあります。それを考慮せずに温度変化のみを考えるのは間違いです。

お礼

回答ありがとうございました。大変参考になりました。

回答No.7

YHU00444

>家庭の冷蔵庫でもマイナス２０℃の氷は作れると思います。
>水と合わせてもマイナス１０℃位にはなるかと。
ANo.6のご回答にもありますが、「ちゃんと測定しましたか？」。
そもそも、氷自体は放っておくと周囲の空気によってどんどん暖められていきますから、氷の断熱は徹底的にやらなくてはいけません。
とりあえずこの実験をやるのであれば、氷屋さんと相談して、砕いた氷を数十キロ単位で用意して冷凍室の中で冷やしておくぐらいやらないと厳しいと思います。

>ふと思ったのですがコップの周りを断熱材でくるめば良いのでしょうか。
これも良いアイデアですが、空気の熱の影響を遮断するためには、空気の方も氷点下10度以下程度に押さえておく必要はあるでしょうね。
対流による熱流というのは莫大なものがありますから。
※影響を減らすには、実験装置の大きさの方を変える方法もあります。（表面積の影響は、系の体積の2/3乗に比例するので）
コップでは表面積の比率がいかにも大きいですし、ガラス自身の熱容量や熱伝導の影響もありますから。

お礼

回答ありがとうございました。今の冷蔵庫は性能が良いのでそのくらいの温度にはなります。マイナス１０℃は概算ですが少なくともマイナス数度にはなると思ったものですから。
確かに周りだけでなく上も下も完全に断熱材でくるまないといけませんね。その上で振れば凍るのかなと思いました。拙い実験の典型でした。

回答No.6

blacklabel

レストランの氷りは、マイナス数十℃などになっていません。
温度の確認もしないでやたことを理由にするのはナンセンスです。

お礼

回答ありがとうございました。おっしゃるとおりです。

回答No.4

YHU00444

こういうのは単純に熱量と熱容量の比率の問題ですから（Q=CT）、それこそ「マイナス数十℃の氷」を思いっきり大量にぶち込んだら凍るでしょうね。

ただ、このマイナス数十℃の氷というのはえらくおっかない代物で、下手に肌に触れたら張り付いて大変なことになるでしょう。
もっとも、氷なら流水で溶かせば事なきを得るでしょうが（それでも長いこと放っておくと凍傷の可能性はあるかも）。

だから、普段はそのような代物は使わないし、目に触れるところにも出さないものと思われます。

※昔の冷蔵庫で氷製器がむき出しになってるのがありましたが、アレに指や手が張り付いて大変な思いをした人もいるのでは（実は私もやりました）。

お礼

家庭の冷蔵庫でもマイナス２０℃の氷は作れると思います。
水と合わせてもマイナス１０℃位にはなるかと。
ふと思ったのですがコップの周りを断熱材でくるめば良いのでしょうか。

回答No.3

ryn

子供の頃，ぶくぶくと泡が出るのが面白くて
コップの水にどんどんドライアイスを入れてかき混ぜていたら
見事に凍ってしまいました。

お礼

回答ありがとうございました。ドライアイスですか。氷でも凍るのでしょうか。周囲の温度の影響を受けるのは良く分かりますが、長い人生の中でそのような経験が無かったものですから。

回答No.2

blacklabel

凍るでしょうね。
凍らないのは、氷りの量が少ないからでしょう。

お礼

回答ありがとうございました。
レストランで氷をたくさん入れてかき混ぜたことはありますが凍ったことはありません。