寒い冬。池にはなぜ水面にだけ氷がはるのだろう?


夜になって気温が氷点下になると池の水が凍りはじめる。 しかし、池の中の生物は冷凍食品になってしまったりはしない。 池の中は液体の水のままで、生き物はそのまま泳いでいる。 この理由は?

先ず標準的なことを考えて予想してみよう。 物質は気体、液体、固体と形を変えていくとき、この順に密度が高くなることが多い。 すると、液体と固体が共存しているなら、固体の部分は密度が高く沈んでいく。

ここで現象を見てみよう。 氷は水に浮く。これは固体の氷の方が液体の水よりも密度が低いことを意味する。 (注意)水の方が氷より「重い」と表現するのはまずい。同じ分子から成り立っていて、ただ分子同士の間の平均距離が違っている。単位体積あたりの重さを比較するならば、比重という用語を使うとよい。

知識 水は4℃のときに最も密度が高く、それ以上でも以下でも(つまり氷になっても)密度は低くなる。

実験ポイント 「氷は水に浮く」と言ったが、そりゃ水を氷で冷やして飲みたいとか、つまり水と氷の温度が近いときのことだ。液体の温度が高くなると氷よりも密度が低くなる。どのくらいの温度で密度の大小が入れ替わるか実験してみよう!

本題にもどって 気温が下がって池の水面から水温が下がる。 水温が4℃になると比重が大きくなるので、池の底へ沈んでいく。 水面に現れたより温度の高い水はまた冷やされて、4℃になるとともに沈んでいく。 つまり4℃になった水と、それ以上の水温の水とで、「対流」がおきる。 やがて池全体の水が4℃付近になると大きな対流が起きにくくなる。 それどころか、水面付近の水はさらに冷えて、やがて氷結する。 氷点下の「氷」は重い「水」の上に浮いたままになる。


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