物質の状態と物理（三態・沸点・比重・熱量・気体の法則）

物質の三態はどう変わり、熱はどちら向きに出入りする？

物質は温度と圧力によって固体・液体・気体の3つの状態をとり、状態が変わるときには熱の出入りがあります。固体から液体、液体から気体へ進む変化は熱を吸収し、逆向きの変化は熱を放出します。

変化にはそれぞれ名前があります。固体が液体になるのが融解、液体が固体になるのが凝固です。液体が気体になるのが蒸発（気化）、気体が液体になるのが凝縮です。固体が液体を経ずに気体になる変化は昇華と呼び、ドライアイスやナフタレンで起こります。気体から直接固体になる変化も昇華と呼ぶのが一般的ですが、教科書によっては凝華という語を使います。

状態が変わっている間は、加えた熱が変化そのものに使われるので温度は一定に保たれます。氷を加熱すると0℃のまま溶け、全部溶けてから温度が上がり始めます。このとき使われる熱を融解熱、液体が気体になるときの熱を蒸発熱（気化熱）といいます。汗が乾くと涼しく感じるのは、蒸発熱が体から奪われるためです。

沸点はなぜ気圧によって変わる？

沸点は、液体の飽和蒸気圧が外圧（ふつうは大気圧）と等しくなる温度です。外圧が低ければ低い温度で蒸気圧が追いつくので、沸点は下がります。

液体を密閉容器に入れておくと、液面から出た蒸気がやがて一定の圧力で落ち着きます。この圧力が飽和蒸気圧で、温度が上がるほど大きくなります。飽和蒸気圧が1気圧（1.013×10⁵ Pa）に達した温度が、ふだん言う沸点です。高い山の上では気圧が低いため、水は100℃より低い温度で沸騰します。

危険物の扱いでは、沸点が低い液体ほど常温でも盛んに蒸気を出すと考えます。沸点が35℃前後のジエチルエーテルは、夏の室温でも沸騰に近い状態になり、可燃性の蒸気を大量に出します。蒸気圧が高いことは、引火しやすさに直結します。

比重と蒸気比重は何と比べた数字？

液体や固体の比重は、同じ体積の水（4℃）と比べた質量の比です。蒸気比重は、同じ体積の空気と比べた重さの比で、どちらも単位はありません。

比重が1より小さく水に溶けない液体は水に浮きます。ガソリンの比重は試験対策の資料では0.65〜0.8とされ、水に浮いて広がります。二硫化炭素は比重がおよそ1.3で水より重く、水に沈みます。液体の比重は、質量を体積で割った密度（g/cm³）とほぼ同じ数値になるので、360 gで450 cm³の液体なら比重は0.8です。

蒸気比重は、分子量を空気の平均分子量（約29）で割ると求められます。アセトン（C₃H₆O）の分子量は58なので、蒸気比重は58÷29＝2.0です。第4類の危険物の蒸気は多くが1より大きく、空気より重いため、床面や溝、ピットのような低い所にたまり、離れた火源まで流れていくことがあります。

熱量と比熱はどう計算する？

物体の温度を上げるのに必要な熱量は、質量×比熱×温度変化で求めます。比熱は、物質1 gの温度を1 K（1℃）上げるのに必要な熱量です。

水の比熱はおよそ4.2 J/(g·K)で、身近な物質の中では大きい値です。比熱が大きい物質ほど温まりにくく、冷めにくくなります。物体全体の温度を1 K上げるのに必要な熱量は熱容量といい、質量×比熱で表します。温度変化はケルビン（K）でもセルシウス度（℃）でも、差をとれば同じ数値になります。

熱はどのように伝わり、液体はどれだけ膨らむ？

熱の伝わり方には、伝導・対流・放射の3つがあります。伝導は物体の中を高温部から低温部へ熱が移る現象で、金属は熱伝導率が大きく、空気や木材は小さい物質です。

対流は、温められた液体や気体が膨張して軽くなり、上へ動くことで熱が運ばれる現象です。放射は、熱が電磁波として空間を伝わる現象で、物質がなくても伝わります。太陽の熱が宇宙を越えて届くのも、ストーブの正面が熱く感じるのも放射によります。

物質は温度が上がると膨張し、液体は固体より膨らみ方が大きくなります。液体の増える体積は、元の体積×体膨張率×温度変化で求めます。気体は圧力が一定なら、温度が1 K上がるごとに0℃のときの体積の約273分の1ずつ膨張します。

気体の体積は圧力と温度でどう変わる？

温度が一定なら、気体の体積は圧力に反比例します（ボイルの法則）。圧力が一定なら、体積は絶対温度に比例します（シャルルの法則）。

2つをまとめたのがボイル・シャルルの法則で、PV/T（圧力×体積÷絶対温度）が一定になります。絶対温度はセルシウス温度に273を足した値（K）です。計算では、温度を必ずKに直してから比をとります。

職場ではどう使う？

ドラム缶や地下タンクに液体を満杯まで入れないのは、熱膨張の分の空間を残すためです。夏の直射日光で液温が20 K上がれば、体膨張率1.35×10⁻³ K⁻¹の液体では1,000 Lあたり27 L膨らみます。密閉した容器なら、膨らんだ分が容器を内側から押し、漏れや破損につながります。

蒸気比重も現場に直結します。ガソリンの蒸気は空気の3〜4倍の重さがあり、給油所の地下ピットや整備工場の床のくぼみにたまります。低い所の換気を重視したり、ピットに入る前に可燃性ガスの濃度を測ったりするのは、蒸気が下にたまる性質があるからです。

試験ではどう問われる？

状態変化は、変化の名前と熱の出入りの向きを入れ替えた誤りの選択肢が作られやすい分野です。凝固を融解と呼ぶ、凝縮で熱を吸収する、といった形です。沸点では「外圧が下がると沸点は上がる」のように、向きを逆にした記述が典型です。

計算は、熱量＝質量×比熱×温度変化、ボイル・シャルルの法則、熱膨張の3つが中心です。誤りの選択肢は、温度の差をとらずに終わりの温度を掛けた値、℃のまま比をとった値、10のべき乗の桁を読み違えた値として並ぶことが多くなります。蒸気比重では「1より大きいと高所にたまる」という逆の記述に注意します。