氷を温め続けているのに、温度のグラフが途中から横向きになりました。「温めるのをやめた」と考えてよいでしょうか。
それだけでは決められません。熱を加えていても、氷がとけている間は温度がほぼ一定になるからです。グラフの高さだけでなく、そのとき中に何があるかを考えてみましょう。
氷は、いつでも0℃ではない
冷凍庫から出した氷は、0℃より低いことがあります。まず、この氷が温められて0℃付近まで上がる部分と、とけて水になる部分を分けます。
ここでは、塩などを加えていない純粋な水の氷を、ふつうの大気圧のもとで温める基本問題を考えます。全体の温度がそろった理想的なグラフでは、0℃でとけ始め、氷がとけている間は0℃のままです。
実際の測定では温度のむらや温度計の位置などで数値がずれることもあります。「氷が見えたら、どこを測っても必ず0℃」と広げないようにしましょう。
熱は、氷を水に変えるためにも必要
温めると温度が上がる。これはよく知っていますね。ただ、熱の使われ方はそれだけではありません。氷を水へ変えるためにも熱が必要です。
とけている間は、加えた熱がこの状態の変化に使われます。温度が変わらなくても、氷は減り、水は増えています。「温度が変わらない」と「何も変わっていない」は違います。
グラフを、三つの場面に分ける
0℃より低い氷から温め始めた基本のグラフなら、最初は氷の温度が上がります。次は0℃で横ばいになり、氷と水が一緒にあります。最後に氷がすべてとけると、さらに熱を加えることで水の温度が上がります。
横ばいの始まりは「とけ始め」、横ばいの終わりは「とけ終わり」です。二つを同じ出来事にしないでください。0℃になった瞬間に、全部が水へ変わるわけではありません。
「横ばいだから融解」と、形だけで決めない
同じ0℃付近の横ばいでも、水を冷やしている実験なら、水が氷へ変わっている途中かもしれません。横軸・縦軸と一緒に、「温めているのか、冷やしているのか」も読みます。
また、温度の記録しかなく、実験条件が分からない場合には、温める操作を止めた可能性なども残ります。グラフの形と、問題文に書かれた操作をつなげて説明しましょう。
最後に、一問だけ
氷を一定の強さで温めたところ、2分後に0℃となり、6分後まで0℃のまま、その後は温度が上がりました。理想的なグラフとして考えると、4分後には何があり、氷がとけていた時間は何分でしょうか。
4分後には、氷と水が一緒にあります。氷がとけていたのは2分後から6分後なので、6－2＝4分間です。温め始めてからの6分間すべてではありません。
温度グラフを見たら、線の各部分に「氷」「氷と水」「水」と書き添えてみましょう。温度だけでは見えなかった変化が、読み取りやすくなります。
横ばいの長さと、時刻を分けて読む
温度のグラフで「8分」と書かれていても、それが温め始めてから8分後なのか、とけ始めてから8分間なのかで意味が違います。横軸の目盛りは、ふつう実験開始からの時刻です。一つの状態が続いた時間を求めるときは、その部分の終わりの時刻から始まりの時刻を引きます。線が横向きなので計算がないと思わず、区間の両端に印を付けてください。
また、同じ温度で横ばいになった二つの実験でも、氷の量や加える熱の強さが違えば、とけ終わるまでの時間は変わります。温度だけが同じだから、氷も同じ量あるとは言えません。グラフの高さと、横ばいの長さは、違う情報を表しています。
例題1：とけていた時間は何分？
純粋な氷を一定の条件で温めた模式的な記録があります。開始から3分後に0℃になり、9分後までは0℃、その後は水の温度が上がりました。とけ始めた時刻、とけ終わった時刻、とけていた時間を答えてください。ふつうの大気圧で、全体の温度がそろう理想的な変化を考えます。
解答：3分後、9分後、6分間です。 とけていた時間は9−3＝6分です。9分間すべてを融解に使ったのではありません。初めの3分間は、氷が0℃へ近づくまで温まった時間です。例えば開始から5分後には、氷と水が一緒にあると読めます。
例題2：横ばいの間、何も変わらない？
例題1の5分後と7分後は、どちらも温度が0℃でした。「温度が同じなので、氷の量も同じだ」と言ってよいでしょうか。熱は続けて加えられているものとします。
解答：言えません。 温度が一定でも氷が水へ変わっており、7分後の方が氷は少なくなっています。同じ温度という観察から、物質の状態やそれぞれの量まで同じとは決まりません。
ここで、グラフの線を高く描けば「氷が減った」を表せるわけではありません。縦軸は氷の量ではなく温度です。氷の量を記録するなら、別のグラフや観察欄が必要です。線の形を読む前に、何の量を縦軸に置いたかを言葉にしてください。グラフ一枚に書かれている情報と、実験条件を使って推測することを分ける練習になります。
逆に、熱を加えているという条件がなければ、0℃の横ばいだけから氷が減り続けたとは断定できません。この例で判断できるのは、温め続けていると指定されているからです。グラフから答える問題でも、文章の条件を読み飛ばさないことが大切です。