エルサ姫の冷凍魔法はとっても強力です！

エルサ姫の凍結魔法はどれくらい強力ですか?

著者: 朱磊

「アナと雪の女王」が好きな子どもたちは、エルサ姫に魔法の力があることを知っています。手袋を外して指を向けるだけで、広い範囲を瞬時に氷で凍らせることができます。

物理学の観点から見ると、エルサ姫は周囲の空気中の水蒸気を急速に冷却して氷にすることができる強力な冷蔵庫に相当します。

冷蔵庫の物理的原理は何ですか?

家庭で使っている冷蔵庫を見てみましょう。冷凍庫内の温度はマイナス18度まで下がるため、冷凍庫内の空気中の水蒸気を氷に凍らせることができます。冷蔵庫の外部の周囲温度は 40 度になる場合があります。冷蔵庫の電源が落ちて動かなくなると、冷凍庫の温度は冷蔵庫の外の気温と同じになり、せっかく凍らせたアイスキャンディーは溶けてしまいます。冷蔵庫の電源を入れると、電気によってコンプレッサーが作動し、ガス状の冷媒が圧縮されます。気体冷媒はエネルギーを得て圧力が上昇し、温度も上昇します。凝縮器に入った後、熱を放出し、液体に凝縮します。

その後、液体は毛細管に入り、毛細管の抵抗により圧力が低下して蒸発器に入ります。するとコンプレッサーが膨張し、蒸発器内の圧力がさらに低下して液体の蒸発が促進されます。蒸発は、冷凍庫から熱を奪い、冷凍庫の温度を下げる吸熱プロセスです。

コンプレッサーは連続サイクルで作動し、冷媒を凝縮器、毛細管、蒸発器内で循環させ、冷凍庫の温度をマイナス 18 度まで下げることができます。

フッ素フリー冷蔵庫とオゾン層保護

フロンは簡単に気化・液化できる有機冷媒です。しかし、塩素を分解し、大気中のオゾン層と化学反応を起こし、オゾン層を破壊する可能性があります。オゾン層は太陽光に含まれる紫外線のほとんどを吸収し、地球上の人間、動物、植物を紫外線による害から守っています。

先ほど、太陽の紫外線に長時間さらされると皮膚にダメージを与える可能性があると説明しました。したがって、オゾン層は私たちの健康を守るために不可欠であり、フロンはオゾン層を破壊する殺人者です。そのため、人々はCFCの生産と使用を制限することを決定し、我が国は2002年にCFCの生産を中止しました。現在、中国市場で販売されている冷蔵庫はすべてフッ素フリー冷蔵庫であり、冷媒はフロンではなくテトラフルオロエタンなどになっています。

エネルギーの観点から見た冷蔵庫の冷却プロセス

冷蔵庫の冷却プロセスをエネルギーの観点から分析すると、電気エネルギーがコンプレッサーに入力され、コンプレッサーが冷媒に対して仕事 W (通常、W は電力を表すために使用されます) を行うことがわかります。これは電気エネルギーを機械エネルギーに変換することです。次に、冷媒は、コンデンサーを介して熱 Q1 (Q は通常熱を表すために使用され、ここでは Q1 と表記されています) を外部に放出し、蒸発器を介して熱 Q2 を吸収します。エネルギー保存の法則、つまり熱力学の第一法則によれば、Q1=Q2+W です。

外界に放出された熱（Q1）により、冷蔵庫の側壁が加熱されます。子どもたちは自分の冷蔵庫を触って調べることができます。そのため、冷蔵庫を使用すると家の中の温度が上昇する可能性があります。この熱は必要ありません（Q1）。子どもたちは、このエネルギーをどのように利用し、空気中に消散させないかを考えることができます。

必要なのは、蒸発器を通して冷媒に吸収される熱（Q2）です。冷凍庫の温度を下げ、アイスキャンディーを凍らせ、食品を長期保存することができます。できるだけ大きくしたいと思っています。

コンプレッサーの作業には電気エネルギーが消費されるため、電気代を支払う必要があります。もちろん、作品は小さければ小さいほど良いです。実際、冷蔵庫の冷却性能を示すために冷却係数 Q2/W が定義されており、これは私たちがよく費用対効果と呼ぶものに近いものです。

Q1 と Q2 のうち、一方がエネルギーを放出し、もう一方がエネルギーを吸収することがわかりました。等しい場合は、W は必要ありませんよね?冷蔵庫は電気を消費する必要がありません。これはエネルギー保存の法則と熱力学の第一法則に違反していないようです。しかし、実際にはそんな冷蔵庫は存在しません。何故ですか？熱力学の第一法則に加えて、熱は高温の物体から低温の物体にのみ自発的に伝達され、低温の物体から高温の​​物体に自発的に伝達されることはないという熱力学の第二法則もあるからです。

したがって、現実世界では、お湯と冷水が混ざり、お湯は冷め、冷水は温まり、最終的に両方の温度が同じになることがわかります。温水の温度が高くなったり、冷水の温度が低くなったりすることはありません。後者の状況を達成するには、それらに対して作業を行う必要があります。つまり、冷蔵庫が電気エネルギーを入力して仕事をしなければ、冷凍庫の温度を下げて外気温を上げることは不可能なのです。

エルサ姫がテトラフルオロエタンまたはドライアイスをこぼした場合、どちらが早く凍るでしょうか?

エルサ姫の魔法に戻りましょう。彼女が細い手を振ってテトラフルオロエタンを振りかけると、彼女は自分の内部の力を使ってテトラフルオロエタンを圧縮して仕事をすることができます。テトラフルオロエタンの圧力と温度が上昇し、熱が外部に放出されました。エルサ王女はその後、細い手を引っ込め、内なる力を使ってテトラフルオロエタンを吸い出し、圧力を下げてテトラフルオロエタンを急速に蒸発させ、大量の熱を吸収してその周りに氷を形成しました。これで説明がつくようです。しかし、この作戦にはエルサ姫が武術の達人のような深い精神力を持つことが求められます。

内部の力を必要としない別の方法は、ドライアイス（固体二酸化炭素）を使用することです。ドライアイスの凝固点は非常に低い（マイナス78.5℃）ため、常温の空気中ではすぐに昇華して気体になります。このプロセスでは大量の熱が吸収され、周囲の温度が下がり、氷点下になる可能性もあります。

エルサ姫は、細い手を振ってドライアイスをまき散らし、周囲を凍らせることができるのです。このプロセスは、高温の物体（空気）が低温の物体（ドライアイス）に熱を放出するのと同じです。これは自然に発生する可能性があり、エルサ姫が作業を行うために追加の内部力を使用する必要はありません。非常に敷居の低い凍結魔法と言えるでしょう。

ドライアイスを運ぶときに注意すべきことは、凍傷を防ぐことだけです。

もう一つは、エルサ姫の魔法の凍結速度が非常に速く、ほとんど瞬きするほどだということです。このプロセスにおけるエネルギー伝達は確実です。時間が短いほど、単位時間あたりのエネルギー伝達量が多くなり、つまり、電力が高くなります。これは、電力 = 仕事 ÷ 時間だからです。

「厚さ 3 フィートの氷は一夜にして形成されるものではない」ということはわかっています。エルサ姫が目の前の世界を一瞬で凍らせようと思ったら、必要なパワーが高すぎて非現実的かもしれないそうです。

もちろん、『アナと雪の女王』はそれ自体がシュールなおとぎ話です。

要点

1. 冷蔵庫の原理。冷蔵庫は冷媒に作用して熱を外界に放出することで機能します。その後、冷媒は減圧下で蒸発し、熱を吸収して温度を下げ、冷却効果を実現します。

2. エネルギー保存の法則、熱力学の第一法則、熱力学の第二法則。エネルギー保存の法則と熱力学の第一法則は、エネルギーは生成も破壊もされず、伝達のみ可能であると述べています。熱力学の第二法則は、エネルギーの伝達には方向性があり、高温の物体から低温の物体へのみ自発的に伝達され、その逆は不可能であると述べています。逆のことを行うには、低温の物体に対して作業を行う必要があります。そのため、冷蔵庫は最初に作業を入力する必要があります。

3. パワー。電力は単位時間あたりに行われる仕事です。冷蔵庫が冷えるまでにはある程度の時間がかかります。エルサ姫のような氷結魔法は、おそらくおとぎ話の中にしか存在しないのでしょう。

この記事は『子どものための物理啓蒙授業』（朱磊著、中国女性出版社、2022年）より抜粋したものです。