熱の移動と水分子を考える その①『宇宙の学校』

顧問の坪内です。

いつも池本工務店の事業にご支援ご協力いただきまして、ありがとうございます。
前回までは『雨漏りの路を考える』でしたが、今回からは『熱の移動と水分子を考える』について少しお話してみます。「新築住宅」の課題で今、最も気になるのはコロナ禍の影響で「吉田兼好」が『枕草子』で提唱した、「家の造りやうは、夏をむねとすべし」の「通気」・「換気」の良い住宅です。

少し前までは「兼好→健康」「冬季→脳卒中・心筋梗塞」「省エネ」『高断熱・高気密』でした。
これら二つの考え方を取り入れた住宅をどのように提案出来るかが課題です。

勿論、日本列島で忘れてはならないのは「地震」に対する『耐震』も重要です。
弊社も新築住宅の注文がどんどん増えてきたので、リクシルさんの『スーバーウォール工法』を取り入れてこの課題『高断熱・高気密』に取り組み、
「快適な住空間」を提供するように考えています。

そこで重要なのは、快適生活に関わる事項として「温度と湿度」すなわち『熱と水分』です。

この二つを科学的に理解しようとすれば、『宇宙の成り立ち』『太陽の恩恵』『地球の不思議と水の関わり』などの勉強が必要です。
難しすぎてよく分から無くなるのも困りますのでサラリと進みたいと思います。

数年前、NPO法人「子ども・宇宙・未来の会」がJAXA宇宙教育センターと一緒に始めた「宇宙の学校」に孫と参加しました。
楽しい学習と色々な実験を取り入れたスクーリングは父母さんとの参加が多く、お爺さんは私だけでした。
4回の学校の中で「スポイトロケットを作ろう」「大気圧実験・真空実験」『ポンポン船を作ろう』という教材がありました。
60数年前の子供の頃の記憶にあるような･･････。


アルミパイプを棒に3回巻く

その中の一つ、ポンポン船の製作です。
エンジン部分は、3mmのアルミパイプを加熱せずに3回巻いて加工し、発泡スチロール製の船に取り付けます。
アルミパイプを巻いた部分にロウソクの炎が当たるようにセッティングします。
なんと楽しい事でしょう。


アルミパイプをロウソクで暖める構造

ポンポン船の推進力について分かり易い文章を探していたら、下記のように丁寧に解説してありましたので、拝借して載せて置きます。
下記に赤色字で書き加えたのが今回『宇宙の学校』で習った水と水蒸気の関係です。
60年ほど前、私の叔父さんは「国鉄で機関車の運転者」をしていました。
中途から蒸気機関車の動力効率の向上研究に携わっていたのを思い出しました。
その当時の記憶で、蒸気機関のエネルギー効率が5％で電化が65％・ディーゼルが35％なので、
研究途中で「効率の悪い蒸気機関車の効率向上研究」は中止が決定したとか･･････。この話は機会があれば又楽しくお話します。

ポンポン船を作る

①ロウソクに火を点けるとアルミ（拝借文章は銅管を使用）パイプ内の水が熱せられ，水蒸気とともに水中に噴出します。
②水の慣性によりアルミパイプ内の水が水中へ噴出します。このためアルミパイプ内が減圧となって水の吸入が起きます。
③同時に水蒸気が冷やされて水滴となり、アルミパイプ内が減圧となって水の吸入が起きます。
④吸入された水はパイプ内で再び熱せられ，水蒸気とともに水中に噴出します。
⑤この過程「水の噴出」←→「吸入」が繰り返されますとポンポンと音が出ます。（自励振動と言うらしいです。）
⑥この「水の噴出」・「吸入」の自励振動がポンポン船の推進力の秘密なのです！
⑦水は細いアルミパイプから一気に噴出するため、勢いよく飛び出しポンポン船の前進力となります。

(水が熱せられて水蒸気になれば1600倍の体積になる力に変わります。これは宇宙の学校で習いました。)
⑧ところが水を吸入するときには、アルミパイプ周りの水を吸い込むため船が後進する力になりません。
⑨火力が強いとアルミパイプで突沸が起こり、ときどき猛烈な噴出を観察することもあるらしいです。

出典　2004年8月16日　愛媛県総合科学博物館 友の会 科学クラブ


こんな感じで学んだ訳です。

この学習は『熱の移動と水分子を考える』にふさわしい内容でした。
水が熱せられて水蒸気に変化し動力に変換されるのです。「宇宙の学校」に入校して新鮮な気持ちで水や熱に関わることが出来きました。


宇宙の学校卒業式
（中央左横の赤い服が孫、その後ろが私）

長い間、屋根や壁の外装の仕事をして、「雨漏り・結露」の現象解決の日々を過ごしてきました。
次回からはもう少し水と熱について学習したいと思います。

孫の母親である娘はデイサービスで看護師をしています。
お客様の一人で、戦争時に指を無くされた94歳のご婦人をとても尊敬していると時々メールが来ます。
先日はこのように

「中途半端だと愚痴が出る」
「いい加減だと言い訳が出る」
「真剣だと知恵が出る」

と。なるほど。