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風が強いとき水は０度より上で凍るのか？
昨日は晴天でしたが風がびゅーびゅー吹いて寒かったです。一日中、屋外日陰で仕事してました。水がポタポタこぼれていましたが、それがしばらくすると凍ります。正午や13時でも溶けません。ぬれたタオルはゴワゴワに凍りました。 最高気温は＋２度位のはずですが、風が強いと水は凍るのでしょうか？ 乾燥しているとはいえ、０度近くでは気化しにくいはずなので、気化熱で冷えたとは思えません。水道も風の強い日に凍りますね。 気象庁の電子閲覧室では、昨日のデータがまだありませんでした。残念。
- madamadaaoi
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質問者が選んだベストアンサー
> こんな疑問を式に表せるもんなんですか？ そこから科学は始まるのです。知的好奇心って大事ですよ，少々臭いですが…。 > 氷も昇華するんですよね。 します。凍った洗濯物も乾きますし，冷凍庫の内壁には霜が付きますよね。昇華は昇華圧曲線によって記述されます。高校化学で「水の状態図（P-T 曲線）」を習いますが，三重点の左下に伸びる曲線が昇華圧曲線です。 > ０度または過冷却状態でも気化が充分に多く起こると考えて普通ですか？ 「充分に多く」という表現が非科学的ですが，湿度が低ければ気化は可能です。過冷却水の蒸気圧曲線は，三重点以上の蒸気圧曲線から外挿されるような，恐らく昇華圧曲線よりも高圧側に現れるでしょうね。厳密解の導出は私にはとても手に負えませんが…。 さて折角ですので，気温 2℃でタオルが凍るための，湿度の必要条件を求めてみたいと思います。水の三重点がほぼ 0℃で，水蒸気圧は 4.6 mmHg です。2℃の水蒸気圧の正確な値は，今手元にはありませんが，参考 URL にて 5.3 mmHg という値が得られましたので，これを使うことにします。 0℃にて気化および昇華が行われるには，水蒸気圧 4.6 mmHg 未満の空気を吹き付ける必要があります（それ以上の水蒸気圧なら結露が起こりますので）。2℃の空気で水蒸気圧 4.6 mmHg とは，湿度に換算すると約 86% になりますね。よって「湿度 86% 以上の空気では，いくら風が強くてもタオルを凍らせることは不可能」であることが分かりました。晴天でしたのなら，この条件は軽くクリアしてそうですね。
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- 38endoh
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> 【結論】２℃の風でも86%以下の湿度であれば、気化熱を奪われて、水は凍る！ あー，ちょっと違うんですよ。高校数学で，裏とか逆とか対偶とかいう用語を習ったことを，覚えていませんでしょうか？ No.10 で求めたのは，タオルが凍るための湿度の必要条件であり，その答えが「湿度 86% 以上ではタオルが凍らない」であり「タオルが凍るなら湿度は 86% 未満」なのです。ここでは十分条件は成り立っていないので「湿度 86% 未満ならタオルは凍る」とか「タオルが凍らないから湿度は 86% 以上」ではないのです。ややこしいですが…。 > ここで、風の強さは関係ない、ということが意外です。 No.9 に書いたとおり，風の強さは非常に大きく影響します。よけい混乱させてしまいました？
お礼
そうでした。「必要条件を求めてみたいと・・・」でした。十分条件では、風速も影響するんでしょうね。結論の訂正→【２℃以下で凍る可能性がある。】なら正しいですね。数３まで勉強したのに、もう全部忘れてしまいました。ははは。
- 38endoh
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一応，少々科学的にも考えてみましょう。タオルの温度上昇と温度降下を，それぞれ分けて考えます。 タオルの温度降下は，水の気化と氷の昇華，氷の融解によって記述されます。一方タオルの温度上昇は，空気からの熱伝導と，外部からの放射（日射や付近の物体による赤外線），水の凝固によって記述されます。細かく見れば他にもあるでしょうが，主要な成分はこんなところでしょう。そして実際のタオルの温度は，熱の出入り量（単位はワット？）が一致したところで止ります。 水の気化と氷の昇華は，気度と湿度（水蒸気圧）そして風速に支配されるでしょう。このうち風速は，主にタオル近傍での風の流れ方（専門用語で層流か乱流か）に影響を与えます。空気からの熱伝導は，気温と風速によって記述され，光による熱は，日なたから日陰かと，概ね気温によって記述されるでしょう。 これらの全て影響を式で表し，いくつかのパラメータとなる数値を実験的に求めれば，madamadaaoi さんの条件で実際に凍りになりえたかどうかを検証することができると思いますよ。こうなってくると，がぜん面白くなってきますね（私だけ？）。
お礼
うう、おもしろそうやけど、専門的すぎるかも。こんな疑問を式に表せるもんなんですか？ 今、気がつきました。氷も昇華するんですよね。ということは、液体であれば、０度または過冷却状態でも気化が充分に多く起こると考えて普通ですか？
- 38endoh
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> 最高気温は＋２度位のはずですが、風が強いと水は凍るのでしょうか？ 風が強いだけでは条件不足です。極度の乾燥という条件も加われば，水が凍ってもよいでしょう。ただ，実際にそれが起こったかどうかはわかりませんが…。 madamadaaoi さんは，青木ヶ原樹海の「富岳風穴」や「鳴沢氷穴」をご存知でしょうか？ 富士山の麓にある洞窟なのですが，この洞窟内には年間を通して常に氷が存在しています。 富士山頂付近での雪解け水による地下水がいかに冷たくても，それだけでは洞窟内に氷が存在する理由にはなりませんよね。地下水が過冷却状態にあることは考えにくいですし。 というわけで，恐らくあの洞窟内では，乾燥した空気によって地下水が気化し，そのときの気化熱によって水の凝固が起こっているのです。madamadaaoi さんはこれと同様の現象を見たのかもしれませんね。 もうひとつ事例を。突然ですが，参考 URL をお読みください。気化熱を利用し，ただの素焼きの壷が冷水器になるのです。高温多湿の日本では，あまり冷やすことはできないでしょうが，乾燥した砂漠地帯では有効なのですね。
お礼
ありがとうございます。 氷穴ですか。昔行ったことがあります。ふつう洞窟の中の気温は年中１７度位って聞いたことがありますが、そこで氷があるのは不思議ですよね。新たな疑問ができてしまった！ 天然冷水器、おもしろいですね。人の知恵はすばらしい！
- bullfrog
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ずれますが >私の住んでいる所も「最高気温２度」とありましたが実際に１２時頃計ると氷点下２度でした 最高気温は１４時頃ですよ。
お礼
ありがとうございます。 #4で書きましたが、今回の最高気温は15時。寒気団がやってきて、風が強いときは気温の変化が、均一ではないんですね。この日は、一日中晴天でした。午後の方が風が強かったかな。
- shota_TK
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教育カテゴリでの質問なので、理論上の話になりますが… 水を冷やすと、0℃でも凍らず、液体のまま氷点下になる現象も起こり得ます。過冷却と呼ばれています。 過冷却状態の水は、何かのキッカケで水の一部が凍ると、あっという間に周囲に凍結が広がったりします。 また、液体であれば、ある程度の気化熱は奪われますので、「同じ気温なら強風の日の方が凍りやすい」という現象は、起こり得ると思います。
- fuelempty
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書き忘れですが、 ＃２さんは、「沸点」で有るので（周囲の気温より高い）周りから熱を奪われます。 でもここでは、「凝固点（氷点）」で有りますので 「風」の影響は少ないかと思いますが。 違いますでしょうか？？。
- yuki-don
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最高気温とはその名の通りその日の最高の気温です！ しかも測候所がある付近の気温です・ それも、お昼が最高気温とは限りませんのでその時点で氷点下だったのでは？ 私の住んでいる所も「最高気温２度」とありましたが実際に１２時頃計ると氷点下２度でした。
お礼
ありがとうございます。 気象庁の気温データ（大垣市）を転載します。22日8時から1時間毎に19時まで、-0.5 -0.2 0.1 0.4 1.1 1.6 1.5 2.1 1.4 1.0 -0.9 -0.6 でした。大垣市の市役所から1km位でしたので、当てになるデータだと思います。15時が最高気温だったんですね。でも、つららが育っていくのをみました。
- fuelempty
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風が吹いてても、気温って変わらなかったんじゃ 有りませんでしたか？。 変わるのは「体感温度」で。 温度計に向かって、息を「ふーっ」ってやったときと 「はぁ～っ」ってやったときで温度が変わらなかったと思いますが・・・。 タオルが解けなかったのは、周囲の気温が 「氷点」より下だったため。だと思います。 http://www.easysense.jp/worksheet/tcgyoukoten/tcgyoukoten01.htm
- airpackin
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＜０℃近くでは気化しにくいはず その通りですが、強風が吹いていたという条件もありますよね。 気温が高いと気化しやすいですがそれは水が多くの（熱）エネルギーを受け取るからで、風があれば水は風から（運動）エネルギーを受け取って気化します。（たとえ人が風と感じてなくても空気は動いてますから洗濯物は乾きます。） 強風なら、タオルが乾く間もなく、気化が盛んに起こって水自体の温度が下がって凍ったのでしょう。 沸騰している水の表面に強風を当てると、沸騰が止まり水温は９５℃に低下したそうです（参考ＵＲＬ）。それだけ強風によって熱が奪われたということですね。
お礼
おもしろい実験のページを紹介していただきありがとうございました。そこの引用で、 > 実験の結果は，盛んに沸騰している状態に，横から強く送風してやると，沸騰が見事に止まる。温度計を見ると，９５度前後に下がっている。この４～５度の温度降下から，お湯の表面から盛んに蒸発が起きていることが理解できる。 沸騰させるだけの熱を加えていながら、４～５度の温度降下させるとはすごいです。でも今回は０度付近で２度も下がるもんかなあ？
- hisexc
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可能性は２つ。 １．気象庁発表の最高気温は＋２度でも洗濯物干し場が日の当たらない所で０℃以下だった。 ２．お察しの通り、気化熱の為。 恐らくこのどちらかだと思います。ご存知の通り気化熱は液体が蒸発する時に周囲の熱を奪う現象です。確かに０℃近くでは気化しにくいと感じがちですが、気化は実際に起こっています。その証拠に洗濯物は乾いているではないですか！ 洗濯物が乾くのは布が含んだ水気が蒸発して水蒸気になるからです。つまり０℃近くでも気化は起こっているのです。
お礼
早速の回答をありがとうございます。 濡れたタオルが凍った、つまり日陰で気温２度では乾かずに凍り付いてしまいました。気温２度で洗濯物が乾くのは、日射がある場合で、タオルの表面温度がもっと高い場合だと思います。
お礼
ありがとうございました。１時間かけて熟読してだいぶん理解しました。三重点、蒸気圧曲線、P-T曲線も。 ・蒸気圧曲線により、水は0℃でも4.6mmHgの圧力を発生させるだけの気化をすること。 ・タオルが凍るには、２℃の空気を送り続けて、水が０℃になるまで気化し続けなければなりません。 ・2℃で水蒸気圧5.3mmHgの空気が湿度100%ですから、4.6mmHgの空気の場合の湿度は、4.6mmHg／5.3mmHg＝86% 。それで、 【結論】２℃の風でも86%以下の湿度であれば、気化熱を奪われて、水は凍る！ ということですね。ここで、風の強さは関係ない、ということが意外です。たぶん、水の表面の空気を吹き飛ばす位の風があれば充分ということでしょうか。 > 厳密解の導出は私にはとても手に負えませんが…。 蒸気圧曲線で検索したページで解説読んだら、難しい数式がいっぱい。「厳密解を出して！」と言ったらあんな数式で埋め尽くされるのでしょう。馬の耳に念仏です。 うーん、すっごい勉強になりました。今度寒波がきたら、温度計で記録とりながら実証試験してみたいです。夜なら簡単に実験に都合のいい条件でできそうです。ありがとうございました。これからもどうぞよろしくお願いします。