● 水が凍結するときの温度

 水を入れたバケツを、-10℃に設定した恒温槽に入れて、温度変化を確認しました。

[グラフ-2]
 はじめは、上のNo1より下のNo.4が低くなっていますが、20分経過した頃から、No.4の温度は上昇して逆転し、上の温度が低く、下の温度が高いという現象が明確に現れています。
 No.1が0℃に近付いた50分過ぎから、水面の凍結は始まっています。No.4も0℃に近付いた90分過ぎになると、全体が凍結する温度になり、バケツの側面、底面も凍結し始めています。
 今回のバケツは、全体が冷気にさらされていますが、池や地面に埋め込まれた水槽では、水面からだけ、凍結が進行することになります。

 ● 水の性質

 凍結に関係して、水には2つの特殊な性質があります。ひとつ目は、凍ると体積が大きくなる(密度が小さくなる)ことです。氷が水より重かったら、池の底にどんどん氷がたまって大変です。ふたつ目は、温度と密度の関係が、逆になる温度帯があることです。
 水は、温度が高いほど密度が小さいので、暖かいお湯は上に上がります。そのため、底から加熱すれば対流で全体が温まりますが、上の方から加熱したのでは、前ページの[グラフ-1]のような状態になります。
[グラフ-3]
 温度の低い部分だけを拡大してみると、約4℃(正確には3.98℃)で一番密度が高くなっていて、それより低い温度では、逆に密度は小さくなります。
 そのため、容器内の水の温度が下がっていくと、上と下の関係が逆になり、底の方が温度が高い状態になります。

[グラフ-4]