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よくあるご質問

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ペンネーム:テンコウさん

お茶の凍結後の知ったかぶり

[雑学]

寒くなってきたので 大きい水筒から 小さなペットボトルに交換しました  保温力がないので 凍結して解凍中のお茶を飲むことに   本題に入ります  水を凍らすと体積が増えると ところが ペットボトルにお茶を 3分の2 を入れ 凍らすとペットボトルが小さく変形します  キャップを開けるとシューッと音がしもとの大きさに 残りの 3分の1 を入れ放置し キャップを開けると 液面が下がります  サイトには凍ると体積が増えると 色々回答がありますが この現象は ナニ  1般理論からは相反するものなのですが  知ったかぶりでも結構ですので 回答お願いします

(9月30日 3:59 追記:)
水が凍ると 9%膨張します  ペットボトルにお茶を入れ凍らすと 1、000cc の水が1、090cc に なのに膨張しなければならないペットボトルが 小さく変形し キャップを開けると膨らみもとの形に  凍るときに空気を取り入れると回答されましたが その空気量だけ膨張するので ボトルの容器は変形しないのでは  それでも変形するのはナゼ

(9月30日 5:10 追記:)
氷のお茶が解凍すると もとの液体に  氷がとけ液体になると 体積は縮小します  凍結すると 液体は膨張するのに ペットボトルが縮小変形し キャップを開けるとペットボトルはもとの形に と言うことは 凍結して体積が縮小していのでは

(9月30日 13:37 追記:)
ガリレオさん ムイさん 回答ありがとうございました   水と空気の膨張率の違い考えていませんでした が   私が疑問に思った 500ml のペットボトル単純計算で 空気が25℃から0℃で 約10% 30ml 縮小 液体が9% 54ml 膨張 差引 24ml この差は

(9月30日 20:41 追記:)
とりあえず 多少なりとの理解が   近々怪答・回答締め切ります

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回答 5件

ペンネーム:シツタカさん

確かに疑問ですね
封の切っていないペットボトルを凍らすと膨張してパンパンになりますね

今回の質問では3分の2だけ入れて凍らしたら全体的に体積が減っているのが事実だとして検証すると

500ccの2/3=330ccと仮定し
空気500-330=170ccとなります

冷凍庫で凍らすと
お茶の体積 330x1.09=359.7cc
空気は30℃から-10℃に冷えたとして
空気の体積 170x(273-40)/273=145.0cc
となり
合計 504.7cc となり体積が増えてますね

ただこの空気内に水蒸気が含まれており
湿度70%と仮定して

30℃での飽和水蒸気 30.3g/m3で
-10℃での飽和水蒸気は2.36g/m3;なので
飽和水蒸気より多い場合は結露(水や氷に変わる)しているので
結露水は当初湿度70%が ‐10℃に冷えると
1m3あたり 30.3x0.7-2.36=18.85
170cc内の水蒸気は 18.85x170/1,000,000=0.0032g
となります
この0.0032gの水が当初は気体(水蒸気)だったので
水蒸気が水に変わると体積は1700分の1になるので
0.0035x1700=5.44cc となり
先ほどの504.7-5.44=499.26cc となり体積が減ってます

当然湿度が高いともっと減り
乾燥していると減らない結果になるようですね

湿度や温度など微妙な条件で変わるでしょう

シツタカぶりよりの回答でした・・・

ペンネーム:テンコウさん

相談者
エセ知ったかぶりではなく 正統派の知ったかぶり  回答ありがとうございました  凍結前に計量カップで水を入れ ボトルの体積を量り 凍結したときの体積を比べたいのですが とりあえずは失礼な言い方ですが 凹むということが判り感謝します ありがとうございました

ペンネーム:シツタカさん

追加ですが
前の計算ではお茶の温度による体積変化を入れてないので
30℃の水は4℃より体積がどの位違うのか

330cc/0.9956=331.45ccとなり
30℃のお茶330ccは4℃に比べて約1.45cc膨張しているので
先ほどの体積から水の膨張分を引くと
499.26-1.45=497.81cc となります

補足でした・・・

ペンネーム:ムリムリさん

水は4℃の時が一番体積が小さく、温度が上がるにつれて体積が膨張します。
また、温度が下がってきて氷になると水の時より膨張していますが、氷の温度を更に下げて行くと体積は収縮します。
また空気は1℃の温度変化により、1/273づつ増減いたしますます。

但し上記の関係は一定の気圧下での数字であり、圧力が違うと水も氷も空気も膨張率は異なります。
水と空気を同一のペットボトルに入れ温度を下げる過程では、空気の収縮率が水が凍る時の膨張率を上回るため、ペットボトル内の気圧は当然下がります。
また、水を満タンに入れた状態で温度を下げた場合、水が膨張する過程でペットボトルの外圧が作用し、正規の膨張率にはならないでしょう。
そのような不確定な状況下では空気も氷も膨張率に変化が生まれるのは容易に想像できます。
故にこの質問の答えを正確に論ずるには、無理があると思われます。

ペンネーム:テンコウさん

相談者
ありがとうございました

ペンネーム:ムイさん

お茶を入れて凍らすと凍ったお茶の体積は増加しますが、お茶の入った筒の上部にある空気中の水蒸気が凍ってたり水滴になったりして凝結しますので、気圧が低くなり、体積が小さくなります。

ペンネーム:テンコウさん

相談者
ありがとう

ペンネーム:ガリレオさん

ペットボトルには空気も入ってますね。
空気は温度が下がると収縮します。
この収縮はお茶が凍って膨張する割合より大きいですよ。

お茶を2/3入れて凍らすとボトル内の空気が収縮し内部の圧力が下がります。この状態で蓋をあけると空気がペットボトルの中に吸い込まれます。

ペンネーム:テンコウさん

相談者
ありがとう

ペンネーム:ガリレオさん

お茶をペットボトルに入れた時、お茶は
熱かったでしょうか?
熱い状態で蓋をすると、ボトルの空間は水蒸気で満たされています。それを冷やせば水蒸気は水になり、内部の圧力は下がります。
小学校の理科で、真空を作る実験をされませんでしたか?
仮にボトルの空間が水蒸気だけで満たされていれば、ボトルを凍らせた時、空間は真空になります。実際は水蒸気だけで満たされているわけで花ですが、水蒸気の力はバカになりません。

ペンネーム:スイセイさん

>ペットボトルにお茶を 3分の2 を入れ 凍らすとペットボトルが小さく変形します 

「小さく変形」の「小さく」は、もともとの「ペットボトルのサイズより小さい」のか、「3分の2より小さい」のでしょうか?
凍るときに空気を取り込んで凍るので、膨張しますが、ペットボトルの中の空気は限られているので、さほど膨張できません。が、3分の2よりも小さくなるとは考えられません。
ペットボトルの中の空気を取り込んで凍ったので、
真空状態になり、柔らかいペットボトルは当然縮みます。
>キャップを開けるとシューッと音がしもとの大きさに 
なるのは当然ですね。

>残りの 3分の1 を入れ放置し キャップを開けると 液面が下がります

については、状況がよくわかりません。

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