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相模原分団
液体窒素の実験


2005年10月

今月の例会は弥栄西高校の先生方のお計らいで特別に高校の物理教室を使っての例会でした。空気のなかの約80%は窒素という気体です。窒素をどんどん冷やして行くと零下196度で液体になります。これが液体窒素で、相模原市に液体窒素を作っている新相模酸素という会社があって、そこの会社の人が宇宙少年団のために分けて下さいました。

まず三宅先生から液体窒素の性質と、取り扱う時の注意事項を説明して頂きました。


【液体窒素の性質】
1.沸とう点:マイナス196度
この温度以下では液体で、その温度以上になると気体になります。常温のものを中につけると、激しく沸とうしますが、それは液体窒素の一部が気体になって、そのときに熱を奪って、つけたものをマイナス196度まで冷やしているのです。この温度がどんなに低いかを、日本で一番低い気温や世界で一番低い気温などを示して、説明して下さいました。
2.融点(液体が固体になる温度):マイナス210度
3.密度:0.808(マイナス196度で)

また液体窒素を取り扱う時には、次のような注意が必要なことも教えて下さいました。

【液体窒素を取り扱うときの注意点】

1.非常に低い温度だから普通の容器に入れたものを触ると凍傷になるので注意する。
2.密閉した容器には入れない。すぐに気化して爆発する。
3.狭い部屋では大量に窒素ガスが充満するので、酸欠に注意する。

次にいよいよ実験に移りました。

運搬してきた容器は細い口のついた金属製の真空容器ですが、この容器から透明ガラス製のデュワー瓶に移し替えました。このときに激しく沸騰しますが、しばらくすると収まって、中がよく見えるようになりました。この瓶の外側は2重になっていて、中は真空にしてありますから、霜もあまり付かず、よく中が見えます。


実験1
バラの花、木の葉、草の葉花などを入れてみました。みんな天ぷらを揚げる時のように泡を出しますが、すぐに収まりますので取り出して触ってみると、とてももろくなっていて、指でつまむとポロポロになりました。バラの花はつけている時に中で花弁が落ちましたが。
実験2
ゴムボールやスパーボールなどのゴム製品を入れてみました。スーパーボールはよくはねますが、冷やすとこちこちの陶器のようになって、床に落としても全然はねなくなりました。テニスボールも堅くなりますが、床に落とすと砕けてしまいました。少しふくらませたゴム風船はあっという間にぺしゃんこの紙のようになります。しかし、しばらく空気中におくと見るみるふくらんで、全くもとのようになりました。
実験3
マシュマロなどのお菓子や、バナナ、トマトなどの果物を入れてみました。バナナやトマトは石のように堅くなって、凍ったバナナを金槌の代わりにして木の板に釘を打つことが出来ました。マシュマロも面白くて、中に空気があるので直接口に入れても安全です。食べると外が堅くてちょっと変わった感触のお菓子になりました。みんな食べたいと言いだして、用意したマシュマロが全部無くなりました。
実験4
皆さんが持参したものを入れてみる実験もしましたが、先生が調べたところによると消しゴムが爆発したことがあるそうで、分かっているものしかできませんでしたが、チーズ、お菓子のグミなども入れてみました。お豆腐を持参した子もいましたが、水気が多いのでやめました。
実験5
気体の膨張や収縮の実験
実験6
銅線、ダイオードなどの電気抵抗の変化も実験しました。乾電池で豆球が点灯するようにしておいて、銅線などを液体窒素につけるのですが、よく分かるものとしてサーミスターを実験しました。始め点灯していましたが、サーミスターを冷やすと全く消えてしまい、また外に出すとしばらくして点灯しました。
実験7
乾電池をつけるとどうなるでしょうか。乾電池を電池ケースからはずして液体窒素につけ、冷やしてからもとのケースに戻すと全くつきません。しばらくそのままにしておくと、また光り始めました。このようにうんと冷やすと電池が働かなくなることは、不発弾の処理などにも使われているそうです。
実験8
液体酸素を作って見ました。液体酸素の沸とう点はマイナス183度で、液体窒素の沸騰点よりも高いので、液体窒素で冷やして液体にすることが出来ます。まずコーヒー飲料の缶の片方をあけたものを針金で吊して、中に液体窒素を入れます。すぐに周りは氷で覆われますが、缶からぽとぽととしずくが垂れてきます。これが液体酸素です。
次にもっと見やすいように、試験管に酸素ガスを詰めたゴム風船をかぶせて、その試験管を液体窒素につけると風船がしぼんでくると同時に試験管に液体がたまってきます。この液体が液体酸素で薄い青色をしています。試験管を取り出して、外から強い磁石を近づけると試験管が引き寄せられるのが分かりました。中の液体酸素が磁石の性質を持っているためです。磁石を上に引き上げると中の液体もついて上がってくるのが分かりました。面白い実験でした。液体酸素はロケットの燃料に使われています。
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