● 3回目の実験
容器の外面(側面・底面)からも、冷却されやすいようにした方が良い、という情報もありましたので、紙コップの底に逆V型のスペーサーを置き、外気の影響を受けやすく、凍結で底面が膨らむ影響は受けにくいようにしました。温度差は元に戻し、大きくしました。
低温水:19℃、高温水:60℃
実験全体の結果は、下のグラフの通りです。 |

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凍結開始のときの温度変化です。
凍結開始は、低温水:42分、高温水:70分 でした。 |

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凍結完了のときの温度変化です。
凍結完了は、低温水:297分、高温水:320分 でした。 |

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3回目もムペンバ効果は確認されませんでした。凍結開始・完了ともに、高温水の方が明らかに遅くなっています。
なお、低温水の氷が、右のようにおかしな形になりました。氷の中に閉じ込められた過冷却の水が、噴き出して凍結したのだろうと思われます。 |
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● 考察
実験前には、次のような現象が生じるとすれば、ムペンバ効果が確認できるかも? と思っていました。
- 水の密度が4℃で最大になるので、低温水は4℃の水が底に閉じ込められて、上から凍結する。
- 凍結すると対流がなく、熱が伝わりにくいので、全部凍結するのに時間がかかる。
- 高温水は温度低下速度が大きいので、対流が激しく、安定して底に4℃の水をためることができない。
- 閉じ込められた水の温度が低いので、低温水より早く凍結が完了する。
実際にやってみると、凍結時に4℃の水が底にたまる状態は、低温水・高温水の全ての実験で確認され、違いは見られませんでした。
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1回目 |
2回目 |
3回目 |
低温水 |
高温水 |
低温水 |
高温水 |
低温水 |
高温水 |
a:初期水温 |
11℃ |
62℃ |
18℃ |
42℃ |
19℃ |
60℃ |
b:凍結開始 |
33分 |
76分 |
56分 |
81分 |
42分 |
70分 |
c:凍結完了 |
320分 |
352分 |
419分 |
430分 |
297分 |
320分 |
d:凍結に要した時間 c-b |
287分 |
276分 |
363分 |
349分 |
255分 |
250分 |
凍結開始時間は、温度差が直接影響し、温度が高い方が先に凍ることは、今回の実験からは考えられません。凍結に要した時間は、高温水の方が3回の実験ともに、少し短くなっていますが、水の量・庫内温度などによる影響ではない、有意差なのかどうかは、もっと精度の良い実験を行なわないとわかりません。
今回の実験で、ムペンバ効果を確認することはできませんでした。ただ、普通にお湯を凍らせれば水より早く氷になる、ということはありそうもない、ということは確認することができました。
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