まとめ
- 体積
- 物質や物体が空間の中で占めている大きさ
解説
体積は、ある物質がどれだけの空間を占有しているかを示す指標です。物質を構成する粒子の並び方や運動の激しさによって変化します。一般的に、物質は「固体＜液体＜気体」の順に体積が大きくなります。これは、気体状態では粒子が自由に飛び回り、粒子間の距離が非常に大きくなるためです。ただし、水は例外的に液体よりも固体のほうが体積が大きくなります。これは、氷になるときに水素結合によって隙間の多い結晶構造を作るためです。
また、温度が上がると粒子の熱運動が激しくなり、粒子同士の間隔が広がる「熱膨張」が起こります。特に気体の場合、圧力が一定であれば、温度が1℃上がるごとに0℃のときの体積の273分の1ずつ増加します（シャルルの法則）。例えば、0℃で546立方センチメートルの空気は、27℃上昇すると54立方センチメートル増加し、合計600立方センチメートルになります。
| 変化の条件 | 一般的な物質 | 水（H2O） |
|---|---|---|
| 液体から固体への変化 | 体積が減少する | 体積が増加する |
| 温度が上昇したとき | 熱膨張により増加する | 熱膨張により増加する |
| 理由（固体化） | 粒子が密に詰まるため | 隙間の多い構造になるため |
体積と質量の間には「密度（質量÷体積）」という関係があります。例えば、100立方センチメートルの水に10gや20gの食塩を溶かすと、質量は増えますが体積の変化はわずかであるため、密度が大きくなります。また、金属も熱によって体積が変化します。膨張率の異なる2種類の金属を貼り合わせた「バイメタル」は、加熱時に膨張率の小さい方へ曲がる性質を持ち、温度調節スイッチなどに利用されています。水中にある物体が押しのけた水の体積分だけ浮力を受けるという「アルキメデスの原理」も、体積に関連する重要な法則です。化学反応においては、過酸化水素水から酸素が発生する際、発生する酸素の体積は反応物の量に比例しますが、触媒である二酸化マンガンの量を増やしても最終的な総体積は変わりません。
体積とは、ものがどれくらいの「かさ（大きさ）」をもっているかを表す言葉です。算数では、たて・横・高さのかけ算で計算しますね。
ふつう、ものは温めるとふくらんで体積が大きくなり、冷やすとちぢんで小さくなります。でも、水だけはちょっと特別です。水はこおって氷になるとき、体積が少しだけ大きくなるのです。冬に外にある水道管がこおって破裂してしまうことがあるのは、中の水が氷になってふくらむからなんですよ。
また、水をわかして水蒸気にすると、体積はもとの水の約1700倍にもなります。目に見えないくらい小さなつぶが、元気に飛び回って広い場所を占領するようになるからです。
氷に塩をまぜると、マイナス20度くらいのとても冷たい「寒剤」になります。これを使って水をこおらせる実験をすると、水が氷に変わる瞬間に、入れ物から盛り上がるように体積が増える様子を観察できますよ。
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