暖かい水と冷たい水で重さが変わる仕組みとは?

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    さて暖かい水と冷たい水では重さが異なるという話を聞いたことはないでしょうか。

     

    実際に暖かい水は上に冷たい水は下にたまるので、
    お風呂で冷たい水が下の方にたまっていたという経験がある人も多いはずです。

     

    暖かい水は軽くて冷たい水は重くなると覚えておくだけでも特に問題ありませんが、
    なぜ温度によって水の重さが変化するのか疑問に感じる人もいますよね。

     

    そこでこのページでは、
    暖かい水と冷たい水で重さが変わる仕組みを簡単に解説します。

     

    どうぞご覧ください。

     

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    1.水の温度が変わることで密度が変化する

    では水の温度が変わることで密度が変化することについて見ていきましょう。

     

    結論から言ってしまうと、水の温度によって変化するのは重さではなく密度になります

     

    密度というのは体積1[cm^3]当たりに何[g]の質量があるのかを表しているもので、
    密度の単位として[g/cm^3]が使用されています

     

     

    密度は簡単に言えば、物質がどれだけ密に詰まっているのかその度合いを表したものです。

     

    そして重要なポイントなので何度も言いますが、
    温度によって変化するのは水の重さではなく水の密度です。

     

    たとえ温度が変化しても水の重さ自体は変わらず、密度だけが変化することになります。

     

    水は温度が変化することで体積が膨張したり圧縮したりしますが、
    そのときに水の重さは変化せず、体積変化に伴い水の密度だけが変化します。

     

     

    上図のように水を暖めると体積が膨張して大きくなり、
    水を冷やすと体積は圧縮されて小さくなります(このとき重さは変化せず)

     

    密度はその物質がどれだけ密に詰まっているのかを表す度合いなので、
    密度が小さければあまり詰まっておらず、密度が大きければよく詰まっているということになります。

     

    これが水の温度変化によって、水の密度だけが変化するということです。

     

     

    ちなみに水の体積が温度によって膨張・圧縮する仕組みは、
    基本的に空気が膨張・圧縮するのと同じものです。

     

    なぜ体積が変化するのか、詳しい仕組みは下記の関連リンクからご覧ください。

     

    2.暖かい水が軽く、冷たい水が重くなる仕組み

    では暖かい水が軽く、冷たい水が重くなる仕組みを見ていきましょう。

     

    まず私たちは普段から重い軽いと様々なモノの重さを比較していると思いますが、
    モノの重さを比較する場合はそのモノの重さではなく密度で比べなければなりません

     

     

    例えば金と綿がそれぞれ1kgずつあったとします。

     

     

    では上図の1kgの金と1kgの綿ではどちらの方が重いでしょうか?

     

    正解は、どちらも同じ重さです。

     

    普通であれば綿よりも金の方が圧倒的に重いはずですが、
    上の図ではなぜ金と綿が同じ重さになったのでしょうか。

     

    それは比較するときに同じ体積当たりの質量(つまり密度)で比べていないからです。

     

    綿のようにどんなに軽いものであったとしても数を積み上げていけば、
    どんなに重い物質にも匹敵する以上の重さにすることができます。

     

    なのでモノの重さを比較する場合は、それぞれの密度で比べなければなりません。

     

     

    さて今までの解説ですでに理解されているとは思いますが、
    暖かい水が軽くなり、冷たい水が重くなる仕組みについて見ていきましょう。

     

    暖かい水は温度が上がることで膨張して密度が小さくなり、
    冷たい水は温度が下がることで圧縮して密度が大きくなります。

     

    そして温度が変化してもそれぞれの水の重さ自体は変わらないため、
    体積当たりの質量の大きさによってその物質の重い・軽いが決まります

     

    体積当たりの質量が大きくなることでより地球からの重力がかかりやすくなるので、
    それにより密度の大きい方がより地球の中心に引き寄せられやすくなります。

     

     

    つまり密度が大きいモノの方が重いということです。

     

    なので冷たい水の方が密度が大きくなるため、暖かい水に比べて重くなるんですね。

     

     

    また暖かい水は軽くて、冷たい水が重いのは簡単に下図のようなイメージです。

     

     

    暖かい水は軽くなって冷たい水が重くなるというのは上図のように、
    暖かい水(密度が小さい)が冷たい水(密度が大きい)の上に乗っているイメージになります。

     

    例えば極端ですが豆腐(密度が小さい)の上に鉄の塊(密度が大きい)を乗せようとすれば、
    鉄の塊は豆腐よりも密度が大きいので重力によって下に行こうとして豆腐はつぶれます。

     

    反対に鉄の塊の上に豆腐を乗せるのであれば、
    特に問題なく鉄の塊の上に豆腐を乗せることができますよね。

     

    暖かい水が上にたまって、冷たい水が下にたまるのはこれと同じです。

     

    このように暖かい水と冷たい水をそれぞれ別のモノであると捉えれば、
    簡単にイメージできるようになります。

     

     

    次の章では容器の中に同じ体積で温度が違う水を入れた場合の重さについて解説します。

     

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    3.なぜ同じ体積の水なのに重さが異なるのか?

    ではなぜ同じ体積の水なのに重さが異なるのかを見ていきましょう。

     

    これは先ほどまでの解説をしっかりと理解していればすぐに分かります。

     

    例えば同じ体積の容器を2つ用意して、
    暖かい水と冷たい水をそれぞれの容器にギリギリまで入れます。

     

     

    このときに暖かい水と冷たい水ではどちらが重くなるでしょうか?
    「どちらもの水も体積が同じなんだから同じ重さになるに決まってる」と思う人も多いでしょう。

     

    ですが正解は同じ重さではなく、冷たい水が入った容器の方が重くなります

     

     

    なぜ同じ体積なのに冷たい水の方が重くなるのかというと、
    それは冷たい水の方が暖かい水よりも密度が大きいからになります。

     

     

    これだけでは少し分かりにくいため、もう少し簡単に解説していきますね

     

    まず水は温度が上がると膨張し温度が下がると圧縮するので、
    なので暖かい水は体積が大きくなり冷たい水は体積が小さくなります

     

    このときに重さ自体は変わらないので、水の密度だけが変化します。

     

    ではこれを簡単に数値にして表してみましょう。

     

     

    上図のように暖かい水と冷たい水では重さは数値10で同じですが、
    体積は暖かい水が15、冷たい水が5と異なります(数値は適当に付けています)。

     

    そしてそれぞれの水を体積60まで入れることができる容器に流していき、
    水位がギリギリになったところでそれぞれの重さを測るとどうなるでしょうか?
    (このとき水をまとまった液体ではなく、ひとつひとつ個別のものとしてみていきます)

     

     

    暖かい水の方は体積60まで入る容器に4個分、
    冷たい水の方は体積60まで入る容器に12個分収めることができます。

     

    そうすると暖かい水は体積60に対して重さが40(=4個分×10)となりますが、
    冷たい水は同じ体積60でも重さが120(=12個分×10)となりますよね。

     

    なので同じ体積でも冷たい水のほうが暖かい水よりも重くなるんですね。

     

     

    以上が「暖かい水と冷たい水で重さが変わる仕組みとは?」でした。

     

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    4.まとめ

    これまで説明したことをまとめますと、

    • 水の温度が変化することで重さではなく、水の密度が変化する。
    • どちらが重いかを判断するときは、それぞれの密度(同じ体積当たりの質量)で比べること。
    • 冷たい水は暖かい水よりも密度が大きくなるため重くなる(地球の中心に引き寄せられやすくなる)。

     

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