水面がもっと高くなるのはなぜ？

質問

水が入った受け皿に、火のついたロウソクを立て、試験管をかぶせました。
ロウソクの火が消えたあと、試験管の中の水面が上昇しました。

この現象を説明する仮説として、次の4つを考えました。
(1)燃焼によって発生した二酸化炭素が、水に溶けた、あるいは凝縮して液化した。
(2)燃焼によって発生した水蒸気が、冷却されて凝縮して水に変わった。
(3)試験管をかぶせる前から既に暖められて膨張していた空気が、冷却されて収縮した。
(4)暖められて膨張した空気が、試験管の底の隙間から外に漏れ出した。

ロウソクの本数を増やすと、火が消えるまでの時間が短くなり、試験管の中の水面がもっと高くなるのは、なぜですか？
ロウソクの燃焼による発熱量にかかわらず、発生する二酸化炭素や水蒸気の量は変わらないはずですので、物理変化の(3)(4)が原因である可能性が高いと思われます。

物理のご専門の先生に是非ともお教示いただきたいです。

回答No.4

中村 拓男（@tknakamuri） · ベストアンサー

大学時代、研究室でガラス管を扱うことが多かったので、
お遊びでやってもたことがあります。

面白かったのは、試験菅よりずっと長い配管用のガラス管を使うと、
水面の上昇下降がはっきりとわかるのですが、
水面の上昇は、少しですがローソクの火が燃えている時から起こるのです！
＃試験条件次第かもしれないけど。

この実験事実を踏まえると、ろうそくが燃えている時に (1)が起こり、消えたあと
(2), (3) でいっきに吸い上がるのではないかと思います。

お礼

とても興味深い事実を教えていただき、大変ありがとうございました。
実験方法を工夫してみたいと思います。

回答No.3

foomufoomu

補足です。
前の回答で、
＃私は(３)の影響がいちばん大きいと聞いています。
と書いたのは、「もともとの実験で水面が上がる原因として一番影響が大きいのは（３）」という意味です。

また、
＞ロウソクの燃焼による発熱量にかかわらず、発生する
＞二酸化炭素や水蒸気の量は変わらないはずですので
というのは、試験管をかぶせた後の話で、かぶせる前の状態では、変わりますよね。
（４）はかぶせた後の話なので、ほとんど変わらないでしょう。

回答No.2

foomufoomu

＞物理変化の(3)(4)が原因である可能性が高いと思われます。
私は(３)の影響がいちばん大きいと聞いています。しかし（３）は次のようにするべきでしょう

（３）炎からでる高温のガス・空気が、試験管をかぶせる前に試験管の中に溜まり、それが冷えて体積が減った。

＞ロウソクの本数を増やすと、火が消えるまでの時間が短くなり、
これは簡単でしょう。酸素の消費速度が速いからですよね。

＞試験管の中の水面がもっと高くなるのは、なぜですか？
（３）によって溜まる、高温ガス・空気の量が多いから。じゃないでしょうか。

どうでもいい話ですが、
＞物理のご専門の先生に是非ともお教示いただきたいです。
私は専門の先生ではないですが、いうなれば物理を応用してメシを食っている者です。答えてはいけないのでしょうか？

お礼

貴重なご助言をいただきありがとうございました。今後の参考にさせていただきます。

回答No.1

kamiyasiro

試験管の内径が同じで
ろうそくは径の同じものを，もう１本増やしたのなら，
残りの断面積が小さくなっているのだからから
同じ容積が持ち上がるのためには
化学式や物理現象を持ち出すまでもなく，
高さが高くなるのは当然ではありませんか．

物質収支から考えて，容積が変化する要因は考えられませんよね．

なお，火が消える時間は，時間あたり燃焼量が大きいからです．

また，水が持ち上がる理由はパラフィン蒸気の冷却もあるとは思いますが，
選択肢から選ぶと，燃焼の結果発生した水蒸気の冷却でしょう．
酸素消費分のCO2が発生しているのでチャラですね．

お礼

端的なご指摘をありがとうございました。
ロウソクが占める体積の増加による影響を前提とさせていただきます。