まとめ
- 温度の上昇に伴い、水の体積が増加する現象を指します。
- 一般に物質は熱を得ると分子運動が活発になり体積が増大しますが、水は空気に比べてその変化率が非常に小さいのが特徴です。
- 温度変化による体積の膨張と収縮には明確な因果関係があり、精密な実験や温度計の原理に応用されています。
解説
物質は温度が上がると、それを構成する粒子の運動が激しくなり、占める空間（体積）が広がります。これを熱膨張と呼びます。水の場合も同様に、加熱されると体積が増え、冷却されると体積が減少（収縮）します。
ただし、水の体積変化は空気と比べると極めてわずかです。例えば、空気は1℃温度が上がるごとに、0℃のときの体積の273分の1ずつ増加するという性質（シャルルの法則）があります。0℃で546立方センチメートルの空気がある場合、温度が27℃上がると「546 × (27/273) = 54」となり、54立方センチメートルも体積が増えて合計600立方センチメートルになります。これに対し、水は同じ温度変化でも目に見えるほどの大きな変化は起こりません。そのため、水の膨張を観察するには、フラスコに細いガラス管を取り付け、液面のわずかな上下を拡大して見るような工夫が必要となります。
水や空気は、温められると大きくなり、冷やされると小さくなるという性質を持っています。これを「膨張」や「収縮」といいます。
空気は温めると目に見えて大きくなりますが、水は温めてもほんの少ししか大きくなりません。例えば、へこんでしまったピンポン玉をお湯につけると、中の空気が温まって大きくふくらみ、へこみが元通りになります。これは空気が熱で大きく膨張するからです。
水の大きさが変わる様子を調べるには、フラスコに細い管をつけて、水面がわずかに動くのをじっくり観察する必要があります。温度によって物の大きさが変わるというルールは、理科のいろいろな場所で使われている大切な決まりです。
「ガリレイの温度計」という、見た目がとてもきれいな温度計を知っていますか？ガラスの筒の中にカラフルな玉が浮いているもので、温度が変わって中の液体の大きさが変わることで、玉が上がったり下がったりする仕組みになっています。理科の決まりをおしゃれに使った道具ですね。
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