『科学談話室』の話題より
「　　し　　げ　　き　　」
2000/09/25 話題提供
2000/10/13 最終更新
話題一覧


[danwa:0311]　「しげき」
Date:Mon, 25 Sep 2000 19:24:13 From: のりこ
談話室のみなさま　こんにちは。
のりこです。

最近　ドキドキしているのです。
先月　友の会例会後、私はお友達に「しげき」とはなんなのか？ と疑問を投げかけたのです。

それは例会のお話から・・・。

ミネラルwaterが入ったプラスチック容器を、 冷蔵庫で２０分くらい冷やした後、容器をパッーンと叩くと、 ミネラルwaterが氷になってしまうのです。
このとき「しげき」が水を氷にしたということだったのですが・・。
（心配だなぁ　間違っていたらごめんなさい。)　（＾＾ゞ

容器をパッーンと叩くことが「しげき」で、 この「しげき」とは熱エネルギーだろうか？
力学エネルギーだろうか？　と疑問が湧いてきたのです。

私は熱エネルギーだと答え、 友達は力学エネルギーだと答えるのですが、 はて　？　さて？　いかがなものか？？。

ここでも私は水の構造について話し合いをすることになりました。

友達は、【阪神奈大学生涯学習ネット：公開講座フェスタ’９９】 のテキスト『水の本質を知る』を、９月の科学館例会の日に持って きて見せてくれました。

その中に、《［水の振動エネルギーと電子レンジ］水分子は絶対０度 （−２７３度）にならない限り、運動の大小はあれ運動している。 すなわち、水自身が運動をするため水独自の振動エネルギー をもっている。》と書かれていました。

この部分を読み、私の疑問「しげき」は熱エネルギーだと考えました。


[danwa:0314]　Re: 「しげき」
Date:Tue, 26 Sep 2000 09:51:25 From: 榊田
談話室のみなさん、のりこさん、こんにちは。

さかきだです。

冷蔵庫で２０分くらい冷やした後、容器をパッーンと叩くと、 ミネラルwaterが氷になってしまうのです。
このとき「しげき」が水を氷にしたということだったのですが・・。
（心配だなぁ　間違っていたらごめんなさい。)　（＾＾ゞ
わたしは、運動エネルギーだと思います。
学生時代、聞いた話では、物質の状態（相というんでしたっけ？）が 変化（固体←→液体←→気体）する際には、なんらかのきっかけが必要 であるということで、

じっと静止させた状態では、温度をかなり変化させても相が変わらない。

氷点下においても、水は凍らないということです。

とすれば、熱エネルギーでは、説明がつかないですよね。
水分子にも意識があって、じっとさせていると、眠っちゃって、自分が 氷になることに気づかないのでは・・・？

え？ そうすると、しげきって、意志エネルギーなわけぇ？？


[danwa:0316]　Re: 「しげき」
Date:Wed, 27 Sep 2000 18:58:14 From: 長谷川
談話室のみなさん、こんばんは。長谷川です。

のりこさん [danwa:0311]
ミネラルwaterが入ったプラスチック容器を、 冷蔵庫で２０分くらい冷やした後、容器をパッーンと叩くと、 ミネラルwaterが氷になってしまうのです。
20分ではちょっと無理ですね。冷凍室に２時間くらいかな…。でも、あんまり 長い時間入れておくと、勝手に凍ってしまうので、例会のときにはドギマギし ながら準備をしていました(７月の例会では失敗しているし…)。

１本だけ冷凍室に入れておいても、過冷却になっているかどうかの判断ができ ません。コツは、500ミリリットルくらいの小さいペットボトルでいいので、 数本まとめて冷凍室に入れておくことです。２時間くらいして、数本の内、凍 っているものと凍っていないものがあれば、凍っていないペットボトルはかな りの確率で過冷却になっているでしょう。どれもまだ凍っていなければ、その まま静かに冷凍室に戻します。また全部凍っていたら、一旦完全に融かしてか らやり直しです。

中身はミネラルウォーターでなくても、お茶でも構いませんが、炭酸入りのジ ュースは使わないでください(破裂するおそれがあります)。


榊田さん [danwa:0314]
わたしは、運動エネルギーだと思います。
過冷却の水が内部エネルギーとして持っているものではなく、外部から与えら れたという意味では運動エネルギーが「しげき」としてＯＫだと思うのですが…。

ただその運動エネルギーが、ミクロの世界でどのようなメカニズムで「しげき」 になっているのか、私はよくわからないのです。

結局は、何らかの方法で微結晶ができれば、あとはそれがどんどん成長してい ってくれるのですが、なぜ振ったり叩いたりした運動エネルギーによって微結 晶ができるのでしょうか？


榊田さん [danwa:0314]
学生時代、聞いた話では、物質の状態（相というんでしたっけ？）が 変化（固体←→液体←→気体）する際には、なんらかのきっかけが必要 であるということで、
物質の三態変化を全て考えていくと、ちょっと奇妙なんです。順に考えると、
  • 液体→固体：上にかいたような過冷却現象が起こる
  • 液体→気体：きれいに洗った試験管などで水を沸騰させたときに起こる突沸は、 きっかけがないと液体から気体になれない現象ですね。
  • 気体→液体：例えば科学館のＨＰにも 「霧箱実験・陽電子が見えた？」 というのを載せていますが、この霧箱では過冷却になったアルコール蒸気が、 放射線の刺激によって霧状の液体もしくは固体になっているのを見ています。
  • 固体→液体：？？？
となります。つまりこの中で「固体→液体」だけが、過＊＊状態にはならない のではないでしょうか？さらに昇華(「固体→気体」もしくは「気体→固体」) を考えても、「固体→○○」のときだけが過＊＊状態にはならないようです。 なんだかちょっと不思議ですね。


[danwa:0317]　Re: 「しげき」
Date:Thu, 28 Sep 2000 01:33:10 From: Ando S.
Andoです。しばらくぶりに、ちょっと口をはさませて下さい。

この話題、20年あまり前に読んだ本に書かれていたのを思い出し、その本を ちょっと引っ張り出してきました。
この本では、このような現象を情報科学の視点から、次のように定式化して います。

　　　I＝σU

「I」は、現象の進行速度です。「U」は、進行を進めようとする潜在的、内 部的な強度因子です。そして、「σ」は、潜在的な強度因子を発現させ 「I」を生じさせる際の調整的な因子です。すなわち、「σ」が大きいと、I の進行速度は速くなります。逆にこれが小さいと、「I」の現象は遅々とし て進まず、場合によっては一見、現象は停滞し何も進行していないかのよう になります。

たとえば、水をいっぱい入れたタンクを考えます。タンクの下の方には水栓 がついています。この水栓がσに相当します。σが0（ゼロ）だと、水は栓 から流れで出ることはありません。水栓がごくごくわずかでも開いていれ ば、水は流れ出ます。しかし、非常にゆっくりですから、一見流れ出ていま せん。漏水です。水栓を大きく開けると、水は勢いよく流れ出ます。つま り、水栓を開けることは、σを大きくしたということです。

過冷却の水のはσが非常に小さい状態になっていて、氷になろうとする内在 的な強度因子Uは大きいのですが、σが小さいためなかなか氷になりませ ん。氷になる現象は限りなく停滞していますが、しかしまったく停止してい るわけではありません。そこに外部から間接的な「しげき」が加わると、σ が急に大きくなり、一気に氷になります。

ここで重要なことは、現象そのものを進めようとする強度因子「U」とそれ を調整する因子「σ」は、まったく別ものであるということです。つまり、 過冷却から「しげき」で氷になるのも、普通に氷になるのも、氷になるとい う点では同じです。しかし、「しげき」は、これとは別の力です。タンクの 水の例では、水を流す力、すなわち強度因子は、水圧です。水栓には、水を 流す力はありません。σを調整しているだけです。また、水栓を大きく開け ようが小さくしようが、水を流す強度因子は変化しません。

このほかにも、化学反応の触媒は、「しげき」として働くと考えられます。 触媒によって化学反応におけるσが大きくなることで、化学反応が速く進行 することになります。しかし、触媒自体は反応しませんし、触媒自体が反応 に対しエネルギーを与えているわけではないはずです。言換えれば、化学反 応を押し進めようとする強度因子Uの大きさは、触媒があっても無くても同 じだということです。

最初に示した式は、過冷却の水が凍りになるときのような急激な変化だけに 当てはまるものではありません。電気工学における増幅にもこの式（という より、考え方）は応用できます。もっと単純な例としては、電圧を一定にし ておいて抵抗値を変えると電流が変化することがあげられます。この場合 も、電流を流す力は抵抗ではなく、電圧です。抵抗値の逆数がσに相当しま す。

本の内容を要約すると（勝手な私的要約ですから、誤解があるかもしれませ んが）、以上のような説明になります。

Ando S.


[danwa:0320]　 Re: 「しげき」(過冷却＋衝撃→凍結)
Date:Sat, 30 Sep 2000 14:28:07 From: 浦田
浦田です。談話室のみなさんこんにちわ。

過冷却の水が入ったペットボトルを叩いたら氷り始める。単純なモデルしか思 いつきません。

パチンコ玉等を容器に次々と上から落として山状にランダムに積まれた状態が 過冷却で。箱をどんどん叩いて、おさまる所に収まるのが凍結。
この場合、重力が水分子間の引力。

水分子が分子運動の小さなペットボトル壁に衝突して、「回転」「速度」共に遅くなる。 → ランダムに重なるように衝突してエネルギーを失うがその位置が結晶を作るに ふさわしい位置ではない→隙間だらけの大型クラスターの集合体がたくさんで きる→衝撃を与える→クラスターが崩れて結晶化がはじまる→結晶化する瞬間 放熱が起きて界面分子が揺すぶられて納まりやすくなる→凍結界面が連鎖的に 広がってゆく。

超音波でクラスターを小さくできると本に載っていたのでヒントにしました。

こんな単純なものではないでしょうか。＾＾；

玉突きゲームで球の大群に一つぶつけるとかなり速度が落ちます。そのとき に、クーロン力が勝って、化学反応が進むのなら水がクラスターを作る性質は大切 ですよね。

(一部磁石で水モデルできるかな？の話題へ)



[danwa:0329]　Re: 「しげき」
Date:Tue, 3 Oct 2000 00:36:08 From: 長谷川
Ando S.さん、談話室のみなさん、こんばんは。長谷川です。

Ando S.さん [danwa:0317]
過冷却の水のはσが非常に小さい状態になっていて、氷になろうとする内在 的な強度因子Uは大きいのですが、σが小さいためなかなか氷になりませ ん。氷になる現象は限りなく停滞していますが、しかしまったく停止してい るわけではありません。そこに外部から間接的な「しげき」が加わると、σ が急に大きくなり、一気に氷になります。
う〜ん、「しげき」がσを小さくしているんでしょうか？

Ando S.さん流に言えば、最初にできた「微結晶」がσを小さくしているの ではないか思うのですが…。
でも、その「最初にできた微結晶」はどうやってできるのだろう？というの が疑問なのです。


「しげき」をあたえる前の状態では「水」の状態の水分子ばかりで、「しげ き」をあたえると、この水分子が「氷」の状態に移ります。この状態変化の 間に越えなければいけない山があるために、氷の方が低い谷になっていても、 ほうっておいては氷にはならないんですね。

この山を越えるのにどうするかというのは、いろいろなパターンがあると思 います。

例えば物が燃えるときに、反応前の「燃料＋酸素」より反応後の「二酸化炭 素や水」の方がエネルギーが低くなっていますが、その反応の途中で反応前 よりエネルギーが高い山があるために、そのままでは燃えません。

しかし、火をつけることによって、熱エネルギーで一部の「燃料＋酸素」が 山を越えます。すると、この反応(燃焼)によって発生した熱によって、更に 他の一部が山を越え…、と連鎖的に反応が進んでいきます。この場合、山の 高さは変わらないけど、熱エネルギーによって次々と山を越えていくことに なります。

触媒を使った場合には、この山そのものを触媒が低くすることになります。 山が低くなるために、常温や普通の燃焼よりも低い温度でも、十分山を越え られるようになり、反応が進むようになります。


というわけで、私としては外から与えた「しげき」が何らかの形で一部の水 分子に山を越えさせていて、その結果できた微結晶が山を低くするように働 き、一気に結晶化が進むのではないかと思いますが、いかがでしょうか。


[danwa:0330]　Re: 「しげき」
Date:Tue, 3 Oct 2000 01:43:39 From: 長谷川
浦田さん、談話室のみなさん、こんばんは。長谷川です。

浦田さん [danwa:0320]
パチンコ玉等を容器に次々と上から落として山状にランダムに積まれた状態が 過冷却で。箱をどんどん叩いて、おさまる所に収まるのが凍結。
この場合、重力が水分子間の引力。
このパチンコ玉の例も、エネルギーは高いが、エネルギーの低い状態に移ろう としても「越えなければならない山」がある状態ですね。

物理では、過冷却を含めこのような状態を「準安定状態」といいます。別便で 書いたように、この準安定状態が安定状態に移るには、いくつかのパターンが あります。

この例は、どのパターンに当てはまるんだろう…。

水分子が分子運動の小さなペットボトル壁に衝突して、「回転」「速度」共に遅くなる。
ん？これは、ペットボトルの壁の分子運動が、ゆらぎの範囲でたまたま小さい ところのことでしょうか？それとも、ペットボトルの方が全体的に分子運動が 小さいということでしょうか？

確かに、ペットボトルは固体ですので、水分子のように自由に動き回るほどの 運動はしていません。しかし、そのかわりに分子の質量が大きいですし、そも そも、決まった場所での振動だからといって熱運動が小さいとも言えません。

水分子がペットボトルの壁に衝突して運動が遅くなるのなら、ここで運動エネ ルギーが水分子からペットボトルに移っていることになります。これはマクロ に見れば、熱エネルギーが水からペットボトルに移っていることになりますか ら、こういうことが自然に起こるということは、ペットボトルの方が温度が低 くということになります。

もちろん、同じ温度でもミクロに見れば、ある瞬間ある場所では衝突した水分 子の運動は遅くなったり、また逆に速くなったりして、平均としてトントンに なっています。

ところで、
超音波でクラスターを小さくできると本に載っていたのでヒントにしました。
という水のクラスターの話は、結構あやしいです。

「水」「クラスター」でWeb検索していろいろ見てみると、お茶の水女子大の 「福永研究室非公式案内(http://atom11.phys.ocha.ac.jp/index.html)」とい うところに、「水のクラスター　−伝搬する誤解−」として詳しく載っていま す。

非常に簡単にいうと、直接クラスターを見ているのではなく、ＮＭＲという物 を使ってある値(17Ｏのスペクトルの幅)を測り、 この値とクラスターのサイズ に関係がある「はず」として、クラスターが大きいとか小さいとかといってい ます。しかし上記Webサイトでは、この方法ではクラスターサイズは測れない と書いてあります。

まぁ、測定値に何らかの変化があったとすれば、それがクラスターサイズとは 関係なくてもその浄水器が水に何らかの作用をしていて、それが体に何らかの 良い影響を与えるのかもしれません。しかし、この測定法がクラスターサイズ と関係ないとすれば、クラスターその物の話をする上でこの測定法に基づいた 話を持ち出すことはできなくなります。


[danwa:0331]　Re: 「しげき」
Date:Tue, 3 Oct 2000 13:04:47 From: Ando S.
Ando S.です。

長谷川さん（[danwa:0329] Re: 「しげき」）、 ご意見ありがとうございます。

ご意見を読ませていただいての感想としては、私と長谷川さんの論点の置き 方に少し差異があるほかは、基本的に同意見だと思います。長谷川さんは、 過冷却の水が外部からの刺激で急に氷になる現象の根底にあるもの、すなわ ち現象のプロセスやメカニズムを具体的に理解しようというところに力点を おいておられると思います。

私の場合は、そのことにももちろんおおいに興味があるのですが、前回の投 稿[danwa:0317]は それよりも「しげき」の正体が運動エネルギーか熱エネル ギーなのかという議論があったことに対して、現象の整理と理解に混乱があ るようにも思えたので、そこを考えたものです。

再掲しますが、Ｉ＝σＵ、という式は、現象を整理するうえで指針を与えて くれるものだと思います。

この式は、情報科学の視点から定式化されたもので、「しげき」のような間 接作用で現象が進行する関係を一般化しています。私自身は、この式は数学 的な意味合いよりも、考え方を数学的に表現したものとしてとらえる方がよ いように思えます。

過冷却の水の場合、容器をたたくという外部からの「しげき」で一気に氷に なるわけですが、たたくという行為のエネルギーは力学的エネルギーに属す るものだと思います。そして、Ｉ＝σＵという式にそえば、この力学的エネ ルギーが氷になるという現象に直接に作用しているのではなく、σが大きく なる方向に作用しているといように整理、理解できるのではないかというの が私の投稿の主旨でした。長谷川さんの視点は、σが大きくなるメカニズム にあるのだと思いますが、その点は私もよくわかりません。

う〜ん、「しげき」がσを小さくしているんでしょうか？
これは逆ですね、「しげき」がσを大きくします。そのため、現象が一気に 進行します。

Ando S.さん流に言えば、最初にできた「微結晶」がσを小さくしているの ではないか思うのですが…。 でも、その「最初にできた微結晶」はどうやってできるのだろう？というの が疑問なのです。
このあたりが私も興味があるところですが、よくわかりません。私が式を引 用した元の本にもこの点は説明されていませんでした。

「しげき」をあたえる前の状態では「水」の状態の水分子ばかりで、「しげ き」をあたえると、この水分子が「氷」の状態に移ります。この状態変化の 間に越えなければいけない山があるために、氷の方が低い谷になっていても、 ほうっておいては氷にはならないんですね。
そのとおりだと思います。式にそくしていえば、σの逆数が山の高さです ね。「しげき」がこの山を崩すんでしょうね。一般的には、σを変化させる ためにもエネルギーがいります。しかし、このエネルギーはあくまでもσを 変えるだけで、現象そのものを推進するエネルギーにはなりません。 しかし、この山の正体は、過冷却の水の場合、何なのでしょう。また、どの ようにして崩されるのでしょうか。それは確かに知りたいところです。

ところで、「ほうっておいては氷にはならない」という点ですが、過冷却の 状態は永遠に続くのでしょうか。少なくとも冷凍庫の中では永遠ではないで しょう。本の著者は、飛行機雲ができる過飽和の現象を例にして水蒸気が凝 結する現象は停滞しているが、まったく停止しているのではないという意味 のことを述べています。また、この停滞の状態を「踏みこえ」ともいうそう です。この停滞を破ろうという強度因子が式のＵで、過飽和水蒸気の場合で は、熱力学的に計算できるそうです。

しかし、火をつけることによって、熱エネルギーで一部の「燃料＋酸素」が 山を越えます。すると、この反応(燃焼)によって発生した熱によって、更に 他の一部が山を越え…、と連鎖的に反応が進んでいきます。この場合、山の 高さは変わらないけど、熱エネルギーによって次々と山を越えていくことに なります。
私の読んだ本では、水素と酸素の反応（燃焼)や台所でのガス爆発を例に説 明がありました。長谷川さんが説明されているのとまったく同じです。た だ、「山」のことを、「反応を阻む化学抵抗（１／σ）」と表現していま す。そして「何かの誘因が信号となり、σが変化しかけると連鎖反応でσが 大きくなり・・・・」と述べています。
そしてこの燃焼（爆発）反応も考察しながら私が引用した式について、著者 はさらに、「こまかくみていくと、式はそういうものの全体をつかんでいる だけで、実際には反応で得られるエネルギーがまた誘因となってσを大きく しているのだが、詳細は省略してある。」と説明されています。

とてつもなく長くなりました。すみません。最後に、本の出典についてです が、 「工学的発想のすすめ」、著者：杉田元宜、出版社：大月書店（国民文 庫）、初版：1977年です。かなり古い本ですので、今も版が続いているのか どうかは定かではありません。

Ando S.


[danwa:0332]　Re: 「しげき」
Date:Tue, 3 Oct 2000 13:58:54 From: 片山
片山＠北里大学です。
＃物理化学（液晶の相転移と分光学など）を専門としています。

今回の議論にうまく当てはまるかどうか不明ですが、界面／相転移／熱力学屋さんの 間では、表面自由エネルギーの観点から、次のような説明が成り立っていると思いま す（多説があるかも知れません）。

あんまり詳しく書いている時間がないので、その手の参考書を読んでいただきたいの ですが、ごく簡単に書くと次のようになります。

すなわち、過飽和状態にある系に「しげき」を与えることで、系内のエントロピーに 揺らぎが生じ、その極端な部分（※）から過飽和状態が破られて安定な相へと相転移 が起こるというものです。

※この部分を作ることが、ポイントです。
過飽和の系の中に「核」を入れる事もそうですし、試験管をたたいて「しげき」を与 えることで自由エネルギーが低い部分をつくることも同じです。
一度核が出来て（入れて）しまうと、その界面では表面自由エネルギーが低いので、 そこから「成長」していきます。

これだけだと、ちょっと説明不完全ですね。
時間があれば、また。

＃エントロピーを考えれば、なぜ「液体→固体」で過飽和が起こりやすく「固体→液 体」で過飽和が起きないか、理解できます。


[danwa:0334]　Re: 「しげき」(冷蔵庫内のペットボトル)
Date:Wed, 4 Oct 2000 00:05:43 From: 浦田
長谷川さん、みなさん、こんばんわ、浦田です。

水分子が分子運動の小さなペットボトル壁に衝突して回転速度共に遅くなる。
ん？これは、ペットボトルの壁の分子運動が、ゆらぎの範囲でたまたま小さい ところのことでしょうか？それとも、ペットボトルの方が全体的に分子運動が 小さいということでしょうか？
冷凍庫にペットボトルを入れた状態です。説明不足でした。

水温２７３Ｋ（０℃）と２８３ｋ（１０℃）で氷の結晶が有るのと塊さえ全く 無い状 態にはっきり分かれるものだろうか？とどうしても疑問に思ってしまいます。 水分子が直線で走れる平均距離は分子直径の１０倍程度でしたっけ。振動しな がらも位置は水の分極の影響を受けているような（気）がしてます。氷の予備 軍としてクラスタができそうに思います。

昔パチンコ玉野球板ゲームのカーブをかけるマグネットありましたね。玉の速 度が遅すぎるとホームとピッチャーの間のマグネットで止まってしまいまし た。＾＾；（古すぎる！）


[danwa:0335]　 Re: 「しげき」(水とゴムのエントロピー)
Date:Wed, 4 Oct 2000 04:14:49 From: 浜田
こんにちは
浜田です。

過冷却を含めて、相転移にはエントロピーで説明がつくものだと思っていました。 私は数値だけで片づけようとしていたんですね。
クラスター、磁気、、、というように、物理的にミクロで見るのは楽しいですね。
化学の分野ではどうも大きな単位で見てしまう、たとえば分子でなくモルでとらえよ うとする、という話をどこかで聞きました。そちらに入るかもしれませんがエントロ ピーの単位が J/K/mol なので熱的な世界だと思っていました。

自然界で「自然に」（すみません。またかぎ括弧つきです！）起きる現象はすべてエ ントロピーが大きくなる方へ進むことに例外はないので、過冷却水を用いる氷蓄熱な ども特に疑問をもたずに、不凍液より安いんだろう、ぐらいで過ごしてしまっていま した。

話題を散らかす（話題のエントロピーを増やす）つもりはないのですが、面白い、す ばらしいお話を教えていただいたことがあります。皆さん、ご存じでしたら今更申し 訳ございません。
エントロピー弾性についてなのですが、ゴムの伸縮をエントロピーで説明されたもの です。
一般にゴムは常温またはそれ以下の融点を持ち、液体と同じ密度でミクロブラウン 動をしている。この運動は激しいのでエントロピーは大きい。ゴムを伸ばすと配向 おこり、乱れが減る、つまりエントロピーが減る。
というものです。放っておくとエントロピーが大きい方へ、つまり縮む方へ移行する のですね。
これを教えて下さった方の恩師が理論として発表されたとおっしゃっていたように思 います。
ポリエチレンも暖めたら（熱エネルギーを与えたら）ゴム状態をとり得る、、、

運動エネルギーは受け入れる状況により音のエネルギーになったり熱エネルギーに ったり、位置エネルギーになったりと、考えやすい名前がつけられているだけで、単 位は同じだから、もののポテンシャルをあらわしていればいいんだ、と済ませてしま おうとしていました。
なーんとなく過ごしていることの罪を感じます。
とにかくこんがらがっています。そして、楽しいです。

名実共にエントロピーの大きなメールになってすみません。
もっともっと考えてみます。

10/4　浜田


[danwa:0336]　Re: 「しげき」(冷蔵庫内のペットボトル)
Date:Wed, 4 Oct 2000 12:34:40 From: 吉田
吉田です。
いままで，ひたすらROMってました。

浦田さん [danwa:0334]
冷凍庫にペットボトルを入れた状態です。説明不足でした。
ゆっくりと冷却したときの違いですが，お茶と，水でやってみるとおもしろい ですよ。
お茶は凍っても，水はまだ凍っていません。
同僚が何故と聞いてきたので，水の入ったペットボトルをドンと机の上におい て強い振動を与えてやって氷の粒がピシピシとでき始めたのを見て驚いていま した。

不純物が入っていると，過冷却がおきにくいことが分ります。

また，過冷却と似た現象で，突沸がありますね。日常生活では，湯を沸かす 鍋，やかんにはゴミなどが付着しているためそこから沸騰(気化)が起きます が，きれいに洗浄しているビーカーなどでは水を加熱していくと沸点である 100℃になっても沸騰せず，そのまま過熱され続け，ちょっとした振動で，い きなり沸騰を始めるそうです。そうですというのは，さすがに怖くてマニュア ルにあるとおり，沸騰石を入れてそのような危険なことにならないようしてお り経験がないからです。

この沸騰石も実験には影響のない不純物です。

昔パチンコ玉野球板ゲームのカーブをかけるマグネットありましたね。玉の速 度が遅すぎるとホームとピッチャーの間のマグネットで止まってしまいまし た。＾＾；（古すぎる！）
昔，我が家には禁じ手がありました。普通はピッチャー用のレバーを引いて， マグネットや消える魔球用の穴で駆け引きをしますね。ところが，あのレバー を指ではじくのです。すると，とんでもない威力の玉となり，あたることが困 難ですが，たとえあたってもバットをはじき返すとんでもない威力になりまし た。さすがに数回で禁じ手になりましたが(^^;;


[danwa:0338]　Re: 「しげき」
Date:Fri, 6 Oct 2000 15:31:06 From: Bi.Bi.
Bi.Bi.です。

[danwa:0332]で片山さんは書きました:
すなわち、過飽和状態にある系に「しげき」を与えることで、系内のエントロピーに 揺らぎが生じ、その極端な部分（※）から過飽和状態が破られて安定な相へと相転移 が起こるというものです。
ふと、不思議に思ったのですが、 過冷却から固相が成長する過程は秩序化が進んでいるということは エントロピーが減少しているはず。
しかし、熱力学の第２法則でしたっけ、「孤立系ではエントロピーが増大する」 というのと矛盾していると思うのですが、どうなっているんでしょう？

＃エントロピーを考えれば、なぜ「液体→固体」で過飽和が起こりやすく「固体→液 体」で過飽和が起きないか、理解できます。
これは「過飽和が絶対起こらない」という意味でしょうか、
それとも「過飽和が起こり難い」という意味でしょうか？

[danwa:0336]で、吉田さんは書きました：
きなり沸騰を始めるそうです。そうですというのは，さすがに怖くてマニュア ルにあるとおり，沸騰石を入れてそのような危険なことにならないようしてお り経験がないからです。
これは、経験があります。ある作業でビーカーにアルコールを入れて、 真空ポンプで引きながら蒸発させていた時、 おかしいな、いつまでも沸騰しないなと思っていたら、 突沸が起こり、えらい目にあったことがあります。
これは、上記の起こらないはずの「固体→液体」過飽和に対応する 「液体→気体」での過飽和というような気がしております。


[danwa:0339]　Re: 「しげき」
Date:Fri, 6 Oct 2000 17:05:45 From: 片山
片山です。

At [danwa:0338] Bi.Bi. wrote:
ふと、不思議に思ったのですが、 過冷却から固相が成長する過程は秩序化が進んでいるということは エントロピーが減少しているはず。 しかし、熱力学の第２法則でしたっけ、「孤立系ではエントロピーが増大する」 というのと矛盾していると思うのですが、どうなっているんでしょう？
「孤立系では」ですね。
これが「矛盾」ということでは、過冷却を伴わない相転移でも第２法則に「矛盾」し てしまいます。

これだけではなんですので。

物質がどういう状態（相）を取るか（取りたがるか）は、 自由エネルギーＧが問題です。
Ｇ＝Ｈ−ＴＳ
準安定状態のＧ＞安定な相のＧ

※通常の相転移では、ΔＧ＝０

＃エントロピーを考えれば、なぜ「液体→固体」で過飽和が起こりやすく「固体→液 体」で過飽和が起きないか、理解できます。
これは「過飽和が絶対起こらない」という意味でしょうか、 それとも「過飽和が起こり難い」という意味でしょうか？
「過飽和が起こり難い」です。

きなり沸騰を始めるそうです。そうですというのは，さすがに怖くてマニュア ルにあるとおり，沸騰石を入れてそのような危険なことにならないようしてお り経験がないからです。
これは、経験があります。ある作業でビーカーにアルコールを入れて、 真空ポンプで引きながら蒸発させていた時、 おかしいな、いつまでも沸騰しないなと思っていたら、 突沸が起こり、えらい目にあったことがあります。 これは、上記の起こらないはずの「固体→液体」過飽和に対応する 「液体→気体」での過飽和というような気がしております。
これはすでに議論されているように、過飽和ですね。


[danwa:0340]　Re: 「しげき」
Date:Sat, 7 Oct 2000 23:13:53 From: 長谷川
談話室のみなさん、こんばんは。長谷川です。

片山さん [danwa:0339]
「孤立系では」ですね。 これが「矛盾」ということでは、過冷却を伴わない相転移でも第２法則に 「矛盾」してしまいます。

物質がどういう状態（相）を取るか（取りたがるか）は、自由エネルギーＧ が問題です。
等温・等圧の場合には、ギプスの自由エネルギーＧが極小になる状態をとるの ではなかったでしょうか？

今考えている系(過冷却の水が入ったペットボトル)では、あっという間に結晶 化してしまうので、断熱(熱の出入りがない)系と考えていいのではないでしょ うか？また、ヘットボトルの上の方のすきま(気体の部分)も含めれば体積も一 定としていいでしょうね。

「しげき」は「しげき」にしか過ぎないのですから、やはりエントロピーで考 えていいと思うのですが…。

Bi.Bi.さん [danwa:0338]
ふと、不思議に思ったのですが、 過冷却から固相が成長する過程は秩序化が進んでいるということは エントロピーが減少しているはず。 しかし、熱力学の第２法則でしたっけ、「孤立系ではエントロピーが増大する」 というのと矛盾していると思うのですが、どうなっているんでしょう？
確かに、一見秩序化しているように思えますね。でも、過冷却の水の温度は氷 点下ですが、しげきをあたえて凍らせると氷と水が混ざった状態になりますか ら温度は０℃でしょうね。ということは、凍ることによって温度が上がってい ます。

この温度上昇でエントロピーが増大しているとは考えられないでしょうか？


[danwa:0341]　Re: 「しげき」(製氷工場)
Date:Sun, 8 Oct 2000 07:47:29 From: 浦田
浜田さん、吉田さん、みなさん、こんにちわ。浦田です。

浜田さん：
運動エネルギーは受け入れる状況により音のエネルギーになったり熱エネルギーにな ったり、位置エネルギーになったりと、考えやすい名前がつけられているだけで、単 位は同じだから、もののポテンシャルをあらわしていればいいんだ、と済ませてしま おうとしていました。
私は模型でしか理解できないので、「それは、物理用語表現ではこう言って、 数式ではこう表します」と時折教えてください。よろしくお願いします。

浦田：
昔パチンコ玉野球板ゲームのカーブをかけるマグネットありましたね。玉の 速度が遅すぎるとホームとピッチャーの間のマグネットで止まってしまいまし た。＾＾；（古すぎる！）
吉田さん：
昔，我が家には禁じ手がありました。普通はピッチャー用のレバーを引い てマグネットや消える魔球用の穴で駆け引きをしますね。ところが，あのレ バーを指ではじくのです。すると，とんでもない威力の玉となり，あたること が困難ですが，たとえあたってもバットをはじき返すとんでもない威力になりま した。さすがに数回で禁じ手になりましたが(^^;;
マグネットを動かしてパチンコ玉にエネルギーを与えるのですか？惑星探査機 が惑星の引力と速度を利用して速度をかせぐあのフライバイですか？　それは 知らなかった！くやしいです。
ところで、野球盤のゲームの補足しますと。ピッチャーとバッターボックスの 間の板の下に左右に動かせるマグネットが仕込んであって。投げたパチンコ玉 にカーブをかけることができます。ピッチャーが投げた玉はマグネットで曲が るだけで通過できるのですが、バントした玉がゆっくりすぎるとマグネットの 上で止まってしまうのです。

想像です、
氷が成長するためには、水分子がある程度の運動量を持っていないと集まらな いし、氷結晶はかなり冷えていないと、飛びこんでくる水分子のエネルギーを 吸収しきれないでしょうから。温度勾配が急なほうがいいのかもしれません。厚 みのあるペットボトルと冷却能力の小さい家庭用冷凍庫ではボトル内の温度 勾配が小さく、いつのまにか、全体が冷えて野球盤で言えばボールも飛び込ん でこないような状態になっているのかもしれません。？
このまま静かに−８０℃まで冷やしたら、いくら振動させて結晶化を促しても 発生する潜熱でさえ周りの水分子を十分振動させることができなくて安定した 結晶しない氷？ができるのでしょうか？

昔製氷工場内の透明な氷の作り方をテレビでやっていました。容器の外側から 凍らせてゆく途中何度か中央に残った水と冷えていない水道水を入れ換えるこ とによって不純物が濃縮して結晶に入りこむのを防ぐと言っていました。 ひょっとして、常に温度勾配が急になるので結晶化しやすくなっているのかも ・・・


[danwa:0342]　Re: 「しげき」(製氷工場)
Date:Sun, 8 Oct 2000 12:20:18 From: 吉田
みなさん，こんにちは。
吉田です。

本質と関係のない部分のレスですみません。

昔，我が家には禁じ手がありました。普通はピッチャー用のレバーを引い てマグネットや消える魔球用の穴で駆け引きをしますね。ところが，あのレ バーを指ではじくのです。すると，とんでもない威力の玉となり，あたることが 困難ですが，たとえあたってもバットをはじき返すとんでもない威力になりま した。さすがに数回で禁じ手になりましたが(^^;;
マグネットを動かしてパチンコ玉にエネルギーを与えるのですか？惑星探査機 が惑星の引力と速度を利用して速度をかせぐあのフライバイですか？　それは 知らなかった！くやしいです。
いや，マグネットによる運動エネルギーの追加ではありません。ピッチャーの 操作のところにある，投球用レバーを引いて放すのではなく，引いて指で弾く のです。すると，バネによる弾性エネルギーを球に与えるというよりも，弾い た指の運動エネルギーを主に球に与えることになります。

＃少しは科学らしいネタにこじつけないと(^^;;

もうひとつの裏技。禁じ手ではありませんが。
ライジングボール。
消える魔球用の穴を手元の操作レバーを引きあらかじめ空けておき，普通にス トレートを投げます。球が下り落ちているときに引いていた穴のレバーを強制 的に指で弾いて元に戻します。その穴を閉じる勢いで球がホップします。放物 線をえがき，バットをかわしてストライク。ただし，タイミングによっては， バットと穴のところで球がガチッと挟まってしまうこともあります。

野球盤からでも，自然法則を楽しみながら学んでいましたが，TVゲームでは， プログラムのバグや隠し業を覚えるだけに終わってしまいますね。悲しいこと です。


[danwa:0343]　Re: 「しげき」
Date:Mon, 9 Oct 2000 13:11:33 From: Bi.Bi.
長谷川さんが[danwa:0340]で書きました:
確かに、一見秩序化しているように思えますね。でも、過冷却の水の温度は氷 点下ですが、しげきをあたえて凍らせると氷と水が混ざった状態になりますか ら温度は０℃でしょうね。ということは、凍ることによって温度が上がってい ます。

この温度上昇でエントロピーが増大しているとは考えられないでしょうか？
固相成長による潜熱でエントロピーが増大するということ、
過冷却の液相はそれより温度の高い固相より秩序化されているということですね。 定量的にはどうしたらいいのかしら？

Bi.Bi.


[danwa:0347]　Re:「しげき」(突沸)
Date:Fri, 13 Oct 2000 15:56:00 From: 浦田
みなさん、こんにちわ、浦田です。

気化熱が５３９カロリーもあるのに沸騰の連鎖が続くのが想像できなくて、 突沸を過飽和とは違った見方をしてみました。

●フラスコ内の突沸
話の前提：
温度は水分子の分子量と速度で定義される。
湯の温度１００℃以下でも、それは多くの分子の平均運動量を意味しているの である分子は速く運動していて蒸発する。
温度が同じなら、クラスタより単分子の方が速度が速くて脱出しやすい。
水は熱を通しにくい（それは平均自由行路、分子一つが直線に飛べる距離が数 Åしかないから） 口が狭くなっていたりしたら水面が冷えないので対流が起こりにくい。
ガラスフラスコの熱伝導は低い。＝炎の当たった所とそうでないところの温度 差が大きい。

→水面より底の温度が高く、また、一部が高温になる。
→底に小さな泡発生
→泡の為に底からの熱が湯に伝わらないので底の温度上昇（ガラスだから均等 になりにくい）
→泡が成長して浮かび出す。
→高温の底に湯が接触して次の泡が爆発的に成長
さらに
→泡の表面に流れが生じて、熱い湯が供給されて泡内への蒸発盛ん。
→泡が上昇しながら成長するので、対流が発生
→フラスコ底の熱を効率良く吸収　＋　泡が大きくなり湯のレベルが上昇して でフラスコ上部の熱まで吸収する。
→爆発的な沸騰。

水面からの蒸発では足りない分、水中に泡という球形の水面ができてしまうの が沸騰。
なんでしょうか？加える熱量が一定なら、多数の泡の総表面積は一ほぼ一定に なるのでしょうか？
上に行くほど大きくなってるように見えるから、後続の泡の面積と足したら一 定やろ！当たり前じゃないかと言われそうですけど。

質問：エントロピーは増大する。というのは例えば、生命は弱肉強食なのだ！ と生命の傾向を示すような言葉なのでしょうか？
脳内の活動を解明すれば、どうして弱肉強食になるのかが理解できそうです。 なぜエントロピーが増大するのか・・・を解明することはできるのでしょうか ？
そんなものじゃないのかな？エントロピーのお話続けてください。勉強しま す。


・・・さて、この先 話はどうなるのか？お楽しみに！・・・
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