熱湯

• 沸騰している、あるいは非常に温度が高い状態の液体（水）であり、実験における主要な熱源として利用される。
• 温度上昇に伴う物質（空気・水）の熱膨張および、冷却による熱収縮の性質を観察・検証するために用いられる。
• 水が気化して水蒸気に変化する際の急激な体積増加を利用し、圧力を生じさせるエネルギー源としての側面も持つ。

解説

物質を構成する粒子は、温度が上がるとその熱運動が活発になり、粒子同士の距離が広がることで全体の体積が増加します。これを熱膨張と呼びます。熱湯を用いた実験では、この性質を顕著に観察することができます。例えば、丸底フラスコを熱湯に浸すと、内部の空気が膨張してガラス管内の液面を押し上げたり、へこんだピンポン玉が内部空気の膨張によって復元したりする現象が確認できます。

空気の体積変化は水に比べて非常に大きく、シャルルの法則に従います。理想気体の場合、圧力が一定であれば、空気の体積は温度が1℃上昇するごとに、0℃のときの体積の273分の1ずつ増加します。具体例として、0℃で546立方センチメートルの空気がある場合、温度が27℃上昇すると「546 × (27/273) = 54」となり、54立方センチメートル増加して合計600立方センチメートルになります。このように、熱湯は定量的な体積変化を学ぶための身近な熱源となります。