「真空」についての質問です。

質問

「真空」についての質問です。
この前理科の実験で風船を真空にする機械にいれたらふくらみました。
そしてその風船を取り出すとなぜか風船が暖かくなっていました。
なぜ風船が暖かくなったのか教えてください、よろしくお願いします。

回答No.7

sanori · ベストアンサー

＞＞＞sanoriさんの言うことを聴きたかったのです。

え！　まぐれ当たりしました（笑）

＞＞＞できればその機械の名前も教えていただけたら嬉しいです。

特に名称はないと思いますが、
「真空ポンプに、透明な密封容器をつなげたもの」
でよろしいかと。

では、こちらの図をご覧ください。
http://gijyutsu-keisan.com/science/physics/thermdyn/thermdyn_4_4.html

スタート地点は点Ｂの部分です。

Ｂ⇒Ｃ
（スタート）
・真空を引いていくと、風船の外の圧力が下がる。
・風船の体積Ｖが大きくなる。
・風船の中の圧力Ｐは下がる。
・このとき、ひとまず、風船の外と中の温度は同じになろうとする。（等温膨張）
・等温膨張なので、風船の中の空気のエネルギー（温度）は変わらない。
・真空に引くのに時間がかかるので、風船の温度が下がらないように周囲の空気からエネルギーが供給され続ける。（逆に言えば、風船の中の空気が、外の空気からエネルギーを奪い取る。）

Ｃ⇒Ｄ
・断熱膨張が起こり、風船の温度は下がる。
・ところが、真空を引くのに時間がかかったので、すでに断熱膨張で温度低下をする余地はほとんどない。
・したがって、Ｃ⇒Ｄ　の過程はほとんど起こらない。
・よって、Ｂ⇒Ｃ　の過程でもらったエネルギーのほとんどは、Ｃ⇒Ｄ　の過程で失われない。

Ｄ⇒Ａ
・真空ポンプを止めて容器の中に空気を戻すと、ひとまず、風船の外と中は同じ温度になろうとしながら風船が膨張する。（等温圧縮）
・しかし、空気を戻すのにかかる時間は短く、急激に膨張するので、すぐ次の段階に移る。

Ａ⇒Ｂ
・急激な圧縮では、温度の均一化より圧力の均一化のほうがメイン。
・風船の中の空気は、外の空気から仕事を受けるため（＝エネルギーをもらうため）、圧力が急増、体積が急減し、断熱膨張により、温度は高くなる。
（ゴール）

以上のことからわかるとおり、Ｂ⇒Ｃ　の過程と　Ａ⇒Ｂ　の過程で、風船の外部の空気からエネルギーをもらいます。
それが、今回の現象の理由です。

添付した「カルノーサイクル」というのは、基礎的かつ理論上もっとも効率の高い熱機関ですが、それでも効率は１００％ではありません。
今回の現象は、風船を膨らますという状態からスタートして、同じところにゴールするというものですが、効率は絶対に１００％にはならないので、余分な熱が必ず出てきます。それが、風船の空気の温度上昇という形で表れているということです。

ちなみに、効率１００％の機関（熱機関や電気装置）のことを「永久機関」といいますが、現実には絶対ないはずなのに、インチキ商売で「永久機関」なるものを売って逮捕される輩が時々登場します。
売るほうも売るほうですが、引っかかって買うほうも買うほうです。
今回のことを機に、「余分な熱やエネルギーが発生しない機関はない」ということを覚えておくといいと思いますよ。

回答No.9

htms42

＃８です。
ゴム風船の方にも発熱の原因があるようです。
もしかしたらその効果の方が大きいかもしれません。

おもりのぶら下がったばねがあるとします。
ゆっくり力を加えて引き延ばします。
急に手を離します。
ばねは振動し始めます。振動の中心は初めの釣り合いの位置です。
振動はしばらくすると止まります。
力を加えて引き延ばした長さに相当する弾性エネルギーが熱になっています。

ゴム風船を内部摩擦の大きいばねだと考えると振動を繰り返さずに止まってしまった事になります。
短時間に弾性エネルギーが熱に変わりますので温度変化が大きく出たのかもしれません。
中の空気よりもゴム風船の方が何倍も熱容量が大きいです。

今のところ両方の効果が重なっているだろうということしか分かりません。

回答No.8

htms42

化学に出した質問の回答＃５
http://okwave.jp/qa/q6160149.html
にある真空ポンプと排気鐘を使った実験でいいのですね。

ふくらました風船を排気鐘の中に入れてポンプで排気していきます。
風船が膨らんだと書いてありますがどの程度膨らんだのかが分かりません。
多分、装置の大きさから考えて２倍前後ではないでしょうか。

排気は時間をかけて行います。
元に戻すときはポンプを止めて弁を開きますのでほぼ一瞬で元の圧力に戻ります。
風船は初めの体積に戻ります。
まわりの空気の圧力が高くなって元の体積にまで圧縮されたのです
まわりの空気が風船を圧縮するという仕事をしています。
この仕事で風船のエネルギーは増加します。温度が上昇します。短い時間に行われますので熱が周りに逃げて行く余裕がありません。触れば分かる程度に温度が上昇しているということになります。

この熱はまわりの空気からの仕事によるものです。
まわりの空気は温度が下がっているはずです。
でも風船の中の空気は閉じ込められた空気です。外の空気は閉じ込められた空気ではありません。
少し温度が下がってもすぐに分からなくなります。

これだけです。
これ以上のことは何も言えないだろうと思います。

回答No.6

vsl2000

＞できればその機械の名前も教えていただけたら嬉しいです。

　その名も文字通りの真空ポンプでしょうね。
http://www.tech-jam.com/scientific_research_equipment/vacuum_pump/index.phtml

回答No.5

sanori

Ｎｏ．２の補足要求者です。

まだわかりません。

もしかして、こういうことですか？

「あらかじめ空気で膨らませて口を閉じた風船を透明なケースの中に入れ、
　何かの機械で（風船の中を真空にするのではなく）透明なケースの中を真空に引いたら、
　口が閉じたままの風船がケースの中で膨らみました。
　その後、透明なケースの中を大気圧に戻したら、風船が元の大きさに戻り、
　その風船を取り出したところ、暖かくなっていました。」

補足

すいませんでした、自分の説明不足ですね。
sanoriさんの言うことを聴きたかったのです。
できればその機械の名前も教えていただけたら嬉しいです。

回答No.4

debukuro

よく気が付いたね
気圧が下がって膨らんだ
そのときに断熱膨張して温度が下がった
しかし風船の中の空気の熱量は変わらない（断熱膨張だから）
しばらくすると外から熱を受け取って回りと同じ温度になった
この時風船の中の空気の熱量は膨らむ前よりも多くなっている
風船を大気中に戻すと大気圧によって元の大きさに収縮する（断熱収縮）
断熱収縮によって膨らむ前と同じ温度に戻るが膨らんでいる間に受け取った熱量文が余分になっている
だから膨らむ前よりも収縮したときの温度の方が高くなっている

断熱膨張と断熱収縮を合わせて気体の断熱変化と言います

回答No.3

oo14

話を簡単にすると断熱圧縮
なんでも、熱を逃がさないように
圧縮すれば、熱くなります。
自転車の空気ポンプの
筒が熱くなるのと一緒、と考えては。

回答No.2

sanori

こんにちは。

「風船を真空にする機械にいれたらふくらみました」
の意味がわかりません。

何の機械で何の何の部分を真空にして、風船の中の何をどうしたのですか？

補足

その真空にする機械がどんな名前だったのか思い出せないんです・・・。
その機械に風船を入れ、空気を抜いたらふくらみ、それを取り出したら温かくなっていたんです。

回答No.1

砲術長（@houjutucho）

真空膨張により下がった温度が、復活した為です。