物質の状態変化
1 物質の状態の変化
- 物質の三態とは 一般に物質は固体、液体、気体の３つの状態で存在します。このことを物質の三態といい、温度や圧力を変化させることにより、それらに適応した状態に変化します。
１ 融解と凝固 （固体と液体間の変化）
- 融解とは 固体が自然にあるいは故意的に加熱などされて 液体に変わる現象で、そのときの固体が吸収する熱を 融解熱といいます
凝固とは 液体が 冷却など 熱を奪われ、固体に変わる現象であり、そのとき 液体が熱を放出する（もっている熱を奪われる）熱を凝固熱といいます。
例として、 氷を加熱すると水になる。（氷が融解熱を吸収して液体である水に変化します。
例として 水が冷却されて氷になる。
２ 気化と凝縮 （液体と気体間の変化）
気化とは 液体が（加熱されて または 自然に熱をもらい）気体になる現象です。そのときの液体が吸収する熱を気化熱（蒸発熱）といいます。
例として 水を加熱 あるいは 常温で長時間放置すると水蒸気になります。（水が気化熱などを吸収して水蒸気になる。）
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例として、水蒸気（湿り気の多い空気と考えてよい）が そのときの温度以下になるように冷やされるなどして、液体の水になる（もどる）ことがあげられます。
３ 昇華（固体と気体間の変化）
- 昇華とは固体から 直接気体になったり、またはその逆に気体から直接固体になる現象をさします。その際に吸収されたり、放出される熱を昇華熱といいます。
- 融解とは 固体が自然にあるいは故意的に加熱などされて 液体に変わる現象で、そのときの固体が吸収する熱を 融解熱といいます
（例） ドライアイスが炭酸ガスになる＝ドライアイスが昇華熱を吸収して炭酸ガスになる この現象 固体 → 気体
その他の 物質の状態の変化を表す独特の用語
潮解・・固体が空気中の水分を吸って溶ける現象風解・・潮解の逆の現象であり、結晶水（無水の固体物と水が一定の割合で結晶となり固体を構成するもの）などを含む物質が その水分を失って 粉末状（無水の固体）になる現象
２ 密度と比重の意味
- （１）密度 密度とは 物質１ｃｍ３あたりの重さ（質量ともいう）をいいます。このことは その物質の重さ（ｇ）をその体積（cm3)で割った値のこととなります。
物質の体積（cm3)
例を挙げると、1cm3 の重さが３ｇの物質であれば、その物質の密度は 3（g/cm3)となります。
(２)比重 ※ 固体や液体の場合
比重とは ある物質の重さがそれと同じ体積の水（厳密には１気圧で４℃の水）の重さの何倍にあたる重さの物質であるかということを 現した数値です。同等であれば1 や 1.00と現しますから、特別な単位はつきません。
※例をあげると、比重が1.26の二硫化炭素は 水より重いということになるので、水に沈みます。しかしながら、比重が約0.7のガソリンであれば、水より軽いということになるため 当然水に浮くのです。このように 比重が1より大きいか 小さいかによって、水中で浮くか沈むかなどを 簡単に予測もできます。
(３) 比重 （上記の場合）
蒸気の比重とは ある蒸気の重さがそれと動体積の空気（厳密には、１気圧 0℃での空気）の重さの何倍かということを表わした数値なのです。
※ 例をあげると ガソリンの蒸気比重は ３～４程度であるため、空気より３～４倍重いということになります。したがって 大気中、空気中に放たれたガソリン蒸気は 低いところに、滞留しやすいという予測ができます。
３ 沸騰と沸点
- 液体を加熱していくと、まず 液体表面か気体になって飛んでいく気化がおこります。この気化は 液体の温度が 低い状態でも、すくなからず起きています。ただし、液体の温度を上げていくと より激しく気化がおこるようになります。そして さらに液体を加熱していくと 液体の表面からだけではなく、内部からも一気に気化していくようすが、内部から湧き出る気泡などとして観察できる程度となります。この現象を沸騰といい、その時の温度を沸点といいます。
- 沸騰は 液体の飽和蒸気圧と液体表面に加わる外気圧（大気圧）が等しくなったときに発生します。それ以上熱くなると、液体の飽和蒸気圧が 外気圧を超えますよという時点で 液体が液体でいられなくなる 蒸気圧となるのです。そして そのときを沸騰といい、その温度を沸点といいます。したがって 沸点は 同一の純粋な液体では 一定ですが、大気圧が変わると 沸点も変化します。富士山の山頂では 水は100℃より かなり低い温度で沸騰 ＝ 水の飽和蒸気圧が 大気圧に届いてしまうというわけです。
- 標準状態（大気圧＝１気圧）では 液体の飽和蒸気圧が１気圧となるぐらいの温度まで 液体の温度が上がれば、沸騰します。すなわち、液体の飽和水蒸気圧が１気圧になるときの液温が沸点となります。
- 外気圧が高いと沸点も高くなります。 逆に外気圧が低いと沸点も低くなります。 外気圧が低いときの例は 富士山山頂などの高所で、水を沸かすときの例があげられます。
- 熱について
１ 熱量の単位と計算
- （１）温度 温度を表わす単位には、通常用いられるセ氏の他に絶対温度があります。絶対温度というのは セ氏の-273℃を0℃とした場合の温度で 単位は Ｋ（ケルビン）を用います。
※ 乙４種の試験では 通常 ℃を用いますが、温度差などを表わすばあいには このＫを用いる場合があるので要チェック
２） 熱量
- 物体が温められるのは その物体に「熱」という種類のエネルギーが加えられたためであり、そのエネルギーの量を熱量といいます。
- 単位はジュール（Ｊ）または キロジュール（ＫＪ）を用います。ちなみに １ＫＪ＝１０００Ｊとなります。
- 水１ｇの温度を１Ｋ（１℃）上昇させるのに必要な熱量は 約4.19Ｊとなります
物質には 同じ量の熱を加えても、温まりやすい物質と、あたたまりにくい物質があります。その温まりやすさ、にくさの度合いを１ｇ当たりで表わしたものを比熱といい、物質全体で表わしたものを熱容量といいます。
比熱 ・・・ ある物質の１ｇの温度を１Ｋ（１℃）あげるのに必要な熱量をいいます。 単位は（Ｊ/ｇ・Ｋ） または （Ｊ/ｇ・℃）で表わします。
熱容量・・・その物質全体の温度を１Ｋ（１℃）上げるの日必要な熱量のことをいいます。単位はＪ/Ｋ または Ｊ/℃となります。
したがって、熱容量は比熱にその物質の質量ｍを掛け合わせた値となります。
熱容量（Ｃ） ＝ 比熱（ｓ） × 物質の質量 （ｍ）
２ 熱の移動とは
- 熱の伝わり方には 伝導、放射、ふく射、対流の３種類があります。
金属棒の一端を暖めるとやがて 他端の方も暖められていきます。 こういった 熱が金属物体そのものを伝わることは 熱が 高温部から低温部へと移動して、伝わっていったものと考えられ、この現象を伝導といいます。
物質には熱伝導のしやすい物質としにくい物質があります。その度合は数値化でき、その数値を熱伝導率というのです。
●１熱伝導率の値は 物質の種類それぞれに固有の値です。
●２熱伝導率の数値が大きい物ほど、熱が伝わりやすくなります。
●３熱伝導率の大きさは 一般に 固体＞液体＞気体 の順になっており、固体のものが最も熱を伝えやすい傾向があるといえます。
やかんに火をかけて水を沸騰させた場合など やかんを持ち上げようと 取ってをさわると さわれないぐらい熱くなっているのは熱伝導のためです。 もちろん水が100℃になるのも同じ理由です。
（２）放射（ふく射）
太陽が地面を温めるように、高温の物体から発された熱線（＝放射熱）が 遥か彼方からでも、一定の空間を通過しながら、直進して地球上の地面や物などに当たり、熱を受け取る現象を放射（ふく射）といいます。例 石油ストープや電気ストーブの熱が発熱源から発されて、ストープの前にいる人を より暖かく感じさせるのは 放射熱のためです。
（３）対流
気体や液体などの流体（形が決まっておらず、流れるもの）が加熱されると、その部分が膨張するので、同じ重さで体積（容積）が大きくなり、密度が小さくなります。つまり軽くなるといえます。そうすると その部分の液体は上昇し その部分には 温度がより低い流体が流れこむという上下の移動が循環がおこり、これは熱の移動でもあり、対流といいます。
例 風呂などを沸かす時、 暖められた水は 水面近くまで浮き上がります。 このことにより 熱の移動が順次、繰り返し起こるため、次第に風呂全体が温まります。かき混ぜなくても ある程度風呂が全体あたたまるのは対流がおきることが１つの原因なのです。
3 熱膨張について
熱膨張とは 温度が上昇するにつれて物体の長さや、体積が増加することをいいます。 液体の場合、増加した体積は次の式で求めることができます。
| 増加体積 ＝ 元の体積 × 体膨張率 × 温度差 |
10℃で1000リットルが20℃になると、体積は何リットル増加するか
ただし、ガソリンの体膨張率を1.35×10-3とする
正解答 増加体積＝元の体積×体膨張率×温度差
＝1000リットル × 1.35 × 10-3（20-10）
＝
＝13.5リットル 正解 13.5リットル
この値は 膨張分の体積ですから、膨張後になった結果としての全体積は
1000 ＋ 13.5 ＝ 1013.5リットルとなります。
なお参考までに 気体の場合は「圧力が一定の場合、体積は温度が１℃上昇するごとに体積の 1/273 ずつ膨張する」という法則が適用されます。（ただし、条件として0℃のとき） この法則をシャルルの法則といいます。
※ 例題では ガソリンの膨張率を 1.35×10-3としていますが これを 次のように表すことがありますが、基本的には 同じ計算で K-1は単なる記号として 計算に組み入れる必要はありません。
| 1.35×10-3 ＝ 1.35 × 10-3K-1 |
静電気
１ 静電気とは？
電気を通しにくい物体（絶縁体または不良導体という）どうしを摩擦すると、物体の表面に静電気が発生します。 そのとき、一方の物体にはプラスの電気、もう一方にはマイナスの静電気が発生し（＝帯電するという）それらが 蓄積します。つまり、電気が流れずにたまる一方になるのです。ある一定以上たまってから、プラスの物体とマイナスに帯電した物体をある程度近づけると、マイナスの電気がプラスの方に移動する放電がおきます。放電は 電圧がある程度大きくなった場合には、物体どうしが、ある程度離れていても、電気が流れます。空気中を電気が移動するので、火花がでるのです。 火災の原因の中で、このような放電による電気火花が点火源となる場合もあります。
※ ちなみ 静電気は人体をはじめとして、すべての物質に帯電します。
２ 静電気が発生しやすい条件
(1) 物体の絶縁抵抗が大きいほど（＝不良導体、電気抵抗がとても大きいほど）発生しやすい(2)ガソリンなどの石油類が 配管やホース内を流れる時に発生しやすく、また その流速が大きいほど発生しやすい。
(3)湿度が低い（乾燥している）ほど発生しやすい
(4)ナイロンなどの合成繊維の衣類は木綿の衣類よりも帯電しやすい（静電気を発生しやすい）
３ 静電気の発生（帯電/蓄積）を防ぐには
２ の (1)(2)(3)(4)の発生させやすい条件を打ち消すような環境をつくる。
(1)導電性の高い材料を用いる。（危険物施設では、容器や配管など）
(2)危険物施設などでの 物質の流速を遅くする。
(3)湿度を高くする。
(4)合成繊維の衣類ではなく、木綿などの衣類を選ぶ
(5)摩擦が起きることが避けられない場合でも、摩擦を減らしたり、小さくする。
(6)室内の空気をイオン化する（空気をイオン化して静電気と中和させ 電気的にゼロにする）
(7)接地（アース）をして 静電気を地面に逃がす
などが 主な 静電気対策となります。その他にも 状況に応じて静電気が起きにくくすることできる場合があります。