ビーカーに入れた水を下から温めると、上の方も温まっていきます。なぜでしょうか。
「熱は上へ行くから」。そう答えたくなるかもしれません。では、金属の棒を上から温めたら、下には熱が伝わらないのでしょうか。水の問題を考えるときは、何が動いているのかをもう少し具体的にしてみましょう。
温められた水が動いて、熱を運ぶ
室温くらいの水を下から温める場合を考えます。温められた部分の水は膨張し、同じ体積で比べると、周りの冷たい水より軽くなります。その水が上へ動くことで、熱も運ばれます。このような水や空気の流れによる熱の伝わり方が、対流です。
ここでいう「軽い」は、温めた水の重さが勝手に消えた、という意味ではありません。同じ体積にそろえて比べたときの重さです。体積と重さを混ぜないようにしてください。
水には、隣り合う部分へ熱が伝わる働きもあります。ただ、下から温める実験では、水自体が動くことで熱が運ばれる点が大切です。
水が動くことと、温度が変わることは別々に調べる
温度によって色が変わる示温インクを使うと、どの部分が一定の温度になったかを色で確かめられます。
では、赤くなった場所が広がったら、その赤い水が同じ形のまま動いた、と言えるでしょうか。
色が変わった場所では、その場にあった水の温度が変わった可能性もあります。色の変化は温度を調べる手がかりです。水がどちらへ流れたかを調べたいなら、水の動きを追える目印など、目的に合う観察方法を考える必要があります。
「何が分かる道具なのか」。実験の名前だけでなく、調べられることまで結びつけておきましょう。
対流の矢印を、決まった形で暗記しない
水が上がる矢印と下がる矢印を、輪のように描いた図を見ることがあります。流れを簡単に表した図は便利ですが、実際の水がいつも同じ道筋を一周し続けるとは限りません。
温める場所や容器の形、温め始めてからの時間によって、温度の分布や流れは変わります。問題に観察結果があるなら、その結果を根拠に読みましょう。覚えた丸い矢印を先に当てはめてしまわないことです。
最後に、一問だけ
示温インクの色が、ビーカーの上の方から変わりました。この結果だけで「水は上から下へ流れた」と説明してよいでしょうか。
この結果だけでは決められません。まず分かるのは、上の方の水がインクの色の変わる温度になったことです。水の流れを説明するには、動きを調べた結果も必要です。
温度が変わった場所と、水が動いた向き。この二つを分けて読むことができれば、対流の図も、実験の結果も整理しやすくなります。
加熱の実験は、先生などの管理のもとで行ってください。熱い容器や水には直接触れないようにします。
上から温めるときも、同じ矢印を描きますか
室温程度の水を静かに入れた容器で、下の端を温める場合と、水面に近い上の部分を温める場合を比べます。下から温めたときに描いた丸い矢印を、上から温めた図にもそのまま写していませんか。最初に確かめたいのは、温められて膨張した水がどこにあるかです。上で温まった水は、すでに上にあります。下から温めた場合のように、温かい水が下から上へ移動して全体を温める流れは起こりにくくなります。 ここから「下には熱が一切伝わらない」と言い切るのも行き過ぎです。隣り合う水や容器を通して熱が伝わることはあります。問題が短い時間の比較をしているなら、その時間の中で温まり方にどのような差が出るかを答えます。いつまでも下の温度が変わらないという意味にはしないでください。
例題1：同じ位置の温度計を比べる
同じ容器に同量の室温の水を入れ、Aは底付近、Bは水面付近を温めました。加える熱の量と時間をそろえ、途中でかき混ぜません。底付近に置いた温度計の値が、Aでは大きく上がり、Bではわずかしか上がりませんでした。Bの結果を「水は熱を伝えないから」と説明してよいでしょうか。 答え：その説明は適切ではありません。 Bでは上で温まった水が上にとどまりやすく、温かい水の流れによって底付近へ熱が運ばれにくい、と説明します。温度計が測っているのは先端の周りの温度です。その値だけで容器中の水すべてが同じ温度だとも判断できません。図に温度計の位置を丸で囲むと、測った場所と説明する範囲がそろいます。
例題2：赤い場所が増えた理由を選ぶ
示温インク入りの水を下から温めると、上側にも色の変化が広がりました。別に、水の動きを追える目印を観察すると、加熱した側で上昇する様子が見えました。この二つの観察は、それぞれ何を示していますか。 答え：インクは温度の変化、目印は水の移動を調べる手がかりです。 インクの色が変わった場所を線で囲むだけでは、同じ水のまとまりがそこまで移動したとは言えません。目印も、沈む速さが大きい物では水の流れを正しく表さないので、観察に適したものを使う条件が必要です。 観察結果を説明するときは、まず「見えたこと」を一文、次に「そこから考えられること」を一文に分けてみましょう。色が変わった、目印が上がった、温度計の値が上がった。この三つは似た説明になりがちですが、見ている対象が違います。対流の名前を答えられた後に、この区別までできると、見慣れない実験図でも根拠を選べます。なお、氷に近い低温の水には密度の特別な変化があるため、この説明では室温付近からの加熱に条件を絞っています。