扇風機＋ミネラルウォーターボトルが一瞬で「冷却アイテム」に変身、これには科学的根拠があるのでしょうか？

最近、「ミネラルウォーターのボトルを扇風機の上に置く」という短い動画がインターネット上で白熱した議論を巻き起こしている。動画からは、作業員がミネラルウォーターのボトルを数本束ね、ボトルの底を切り落とし、ボトルの口を外側に向けた状態で切断面を扇風機の吹き出し口に向けている様子が伺え、この方法で冷風を吹き出すことができ、「電気を使わず、冷房と同等の冷却効果」が得られることが分かる。この方法は本当に効果があるのでしょうか？この点について、私たちは北京師範大学物理天文学学院教授兼博士課程指導者のヤン・ダドン氏を招き、物理学の観点から一般向けに解説してもらいました。

Q: 自家製のガジェットがエアコンの代替品として使えるという主張には科学的根拠がありますか?

回答：まず、エアコンの代わりに扇風機にミネラルウォーターのボトルを追加すると冷却効果が得られるという、ネット上で広まっている主張には科学的根拠がないということを明確にしておく必要があります。

一般的に、扇風機は電気エネルギーを入力します。エネルギー保存の法則によれば、これによって部屋内の総エネルギーが増加するだけで、熱が外部に伝わることはありません。したがって、エアコンとは言えません。

誤解の一つは、空気がボトル内で圧縮され、ボトルの口から拡散し、それが「断熱膨張」として温度低下を引き起こすと考える人がいることです。この誤解が生じる理由は、圧縮プロセス中に空気がすでに加熱されており、ボトル口での外向きの膨張による冷却は、ボトル口ですでに上昇している温度に相対的なものに過ぎず、そのような温度変化は非常に小さいためです。

Q: ペットボトル内の空気はどのように流れるのでしょうか?

画像出典: ビデオのスクリーンショット

答え：ミネラルウォーターのボトルの底から風がボトル内に吹き込みます。ボトル口が小さいので、ボトル口で風が加速され、風が早く流れます。ベルヌーイの原理によれば、ボトルの口から吹き出される空気の圧力が下がると言う人もいるかもしれません。同時に、空気は圧縮されると体積が小さくなるため、理想気体の状態方程式に従って温度が下がります。この見解は、平衡状態に適用される理想気体方程式の適用性を混乱させますが、ベルヌーイの原理によって引き起こされる圧力の低下は平衡状態ではありません。

つまり、風が速い速度で流れるので、扇風機の速度を上げるのと同じことになります。人体は涼しく感じますが、体温はそれほど下がりません。

質問：扇風機を部屋の方に向けるよりも窓の外に向ける方が効果的だと言う人もいます。これには科学的な根拠があるのでしょうか?

回答：周囲の環境が空気よりも低い温度を提供できる場合（たとえば、バンガローに住んでいる場合、地面と壁の温度は空気の温度よりも低い）、風が外側に吹き出されると、追加の空気が地面と壁を通って流れ、それによって温度が下がります。前提条件は、ファンと窓の間の密閉をしっかり確保することです。そうしないと、熱い空気がすぐに逆流してしまいます。これは壁に排気ファンを設置するのと同じなので、実用的な価値はあまりありません。

質問：物理学の観点から、自宅で涼むためのヒントをいくつかお勧めいただけますか？

回答：1980年代に浙江大学で勉強していたとき、私は1階の寮に住んでいましたが、夏の室内温度は32度に達しました。私はかつて、机の上に水を入れた洗面器を置き、小さな天井扇風機を使って水に向かって風を吹き付けました（カーテンを閉めながら）。そうすると、室温が 2 度下がりました。

物理学は基礎科目であり、現代科学技術の基礎です。私たちの周りの客観的な世界は、陽子と中性子を構成するクォークから宇宙全体に至るまで、物質で構成されています。私たちは、ポピュラーサイエンスを通じて、皆様が物理学の知識をより良く応用し、インターネット上で広まっている「エアコン」の科学的原理と実際の効果を合理的に考察し、皆様の未知の世界に対する好奇心と探究心を刺激するお手伝いをしたいと考えています。

専門家：ヤン・ダドン（北京師範大学物理天文学学院教授、博士課程指導教員）

制作：中国科学普及×新華網

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社