水を温めると、分子の運動が活発になり、分子同士の平均的な間隔が広がります。そのため、同じ量の水でも占める空間が大きくなり、体積が増えます。

ただし、水には注意点があります。水は4℃付近で体積が最も小さく、0℃から4℃付近までの変化では、一般的な物質とは異なるふるまいをします。このページでは、まず温度と体積の基本を確認し、その後で水・金属・気体の違いを比べていきます。

最初に、この単元の基本となる関係を確認しましょう。

実験では、常温のときに輪をギリギリ通る大きさの金属球を用意します。

使っている金属球は同じなので、金属の量が増えたわけではありません。変わった条件は温度です。この結果から、金属は温めると膨張し、冷やすと収縮することがわかります。

輪の方を温めたらどうなる？

輪を温めた場合は、輪を作っている金属全体が膨張します。そのため、輪の外側だけでなく、内側の穴も大きくなります。

「温めると穴が小さくなる」と考えないように注意しましょう。金属板に開いた穴も、周囲の金属と一緒に広がると考えます。

膨張や収縮が起こる理由

物質は、目に見えない原子や分子などの粒からできています。

• 温めると、粒の運動や振動が活発になる。
• 粒同士の平均的な間隔が広がり、物質全体の体積が大きくなる。
• 冷やすと粒の運動が穏やかになり、体積が小さくなる。

粒そのものが大きくなるのではなく、主に粒同士の間隔の変化によって、物質全体の体積が変わると考えましょう。

動画では、「温めると輪を通らなくなり、冷やすと再び通る」という変化に注目してください。結果だけでなく、温度、粒の動き、体積の変化を結び付けて説明できることが大切です。

水も一般には、温めると体積が大きくなります。水の量が増えたわけではなく、同じ量の水が、より大きな体積を占めるようになります。

細い管を使うと水の膨張を観察しやすい

水を入れた容器に細い管を取り付けて温めると、管の中の水面が上昇します。水の体積変化はわずかでも、細い管では高さの変化として大きく見えるためです。

水は4℃付近で特別な変化をする

多くの物質は、冷やすほど体積が小さくなります。しかし、水は0℃から4℃付近までの間で、一般的な物質とは異なる変化を示します。

つまり、水は4℃付近で最も密度が大きくなります。「水は冷やせば冷やすほど、ずっと体積が小さくなる」とは限りません。

氷が水に浮く理由

水が凍って氷になると、分子がすき間の多い並び方をするため、同じ質量でも体積が大きくなります。その結果、氷の密度は液体の水より小さくなり、水に浮きます。

水を入れた容器を完全に密閉したまま凍らせると、体積の増加によって容器が変形したり割れたりすることがあるのも、この性質と関係しています。

温度によって体積が変化する点は共通していますが、変化の大きさは物質の状態によって異なります。

気体の変化が大きい理由

気体は、固体や液体と比べて粒同士の間隔が広く、粒が自由に動いています。そのため、温度が上がって粒の運動が活発になると、体積の変化が大きく表れやすくなります。

ただし、気体の体積は温度だけで決まるわけではありません。外から加わる圧力によっても変わります。気体の問題では、温度と圧力のどちらが変化しているかを確認しましょう。

中学受験では、実験結果をグラフで読み取る問題も出題されます。次の順番で確認すると、変化を整理しやすくなります。

1. 横軸と縦軸を確認する
   横軸が温度、縦軸が体積になっているかを確認します。
2. 温度が上がったときの線の向きを見る
   右上がりなら、温度が上がるほど体積が大きくなっています。
3. 変化の大きさを比べる
   線の傾きが大きいほど、同じ温度変化に対する体積変化が大きいと判断できます。
4. 水では4℃付近に注意する
   水のグラフは4℃付近で体積が最も小さくなるため、単純な右上がりにならない場合があります。

グラフを暗記するだけでなく、「温度が変わったとき、粒の並び方や間隔がどう変わるか」と結び付けて考えましょう。

「温めると膨張し、冷やすと収縮する」という基本を覚えたうえで、水の4℃付近の例外と、気体では圧力も関係することを区別しましょう。

体積と温度の関係が理解できたか、クイズで確認しましょう。各問題の「正解を見る」を開くと、答えと簡単な解説を確認できます。

間違えた問題や、まだ説明しにくい内容があった場合は、次のページで続けて確認しましょう。