風船がカイロに！？伸ばすと温かく、縮むと冷たい「ゴムと熱」の不思議な関係
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
風船を「びよーん！」と伸ばすだけで、ほっぺたがぽかぽか温かくなる。そして今度は力を抜いて縮めると、ひんやり冷たくなる……。用意するものは風船１個だけ。たったそれだけで、「熱力学」の世界が体感できてしまうのです。先日、大学の熱力学の授業でこの実験を行ったのですが、大人でも「おー！」と声が上がるほど面白いものでした。今日は、その不思議な「ゴムと熱」の関係をご紹介します。
科学のレシピ（風船で温度を感じてみよう）
用意するもの： 風船（100円ショップのもので十分です！）まずは、一番シンプルな方法から試してみましょう。
方法①（伸ばして、縮める）
① 膨らませていない風船を、リラックスさせた状態でほっぺた（や唇など、皮膚の敏感な部分）にあてて、温度を確認します。
② 次に、ほっぺたにあてたまま、両手で風船を勢いよく「びよーん！」と引っ張ります。
③ 今度は、引っ張った状態の風船をほっぺたにあてながら、力を抜いて「だらーん」と元に戻します。
結果： どうでしたか？ ②で引っ張った時は風船が温かくなり、③で元に戻した時は冷たく感じたはずです！
もっと分かりやすい！膨らませる方法
この方法でも十分わかりますが、もっとダイナミックに温度変化を感じたいなら、風船を膨らませる方法がおすすめです。ぜひ、ご家族やお友達のほっぺたを借りてみてください。
方法②（膨らませて、しぼませる）
① 膨らませる前の風船を、お子さんや家族のほっぺたにあてます。
② ほっぺたにあてたまま、勢いよく「ふーっ！」と風船を膨らませます。
③ 膨らんだ風船に触れているほっぺたが、どう感じたか聞いてみましょう。（「温かい！」というはずです）
④ 次に、膨らんだ風船をほっぺたにあてたまま、中の空気を「シューッ」と抜いていきます。
⑤ しぼんでいく風船に触れているほっぺたの感覚を聞いてみましょう。
結果： 今度はどうでしょう？ ②では温かく、④では驚くくらい冷たく感じたはずです。これは本当にインパクトがあるので、ぜひ試してみてください。
なぜ？ ゴム分子たちの「おしくらまんじゅう」
原理はどちらも同じです。実験はこんなに手軽なのに、実は「熱力学」の「断熱変化」という、高校物理レベルのちょっぴり難しい内容と関係しています。でも、風船の中の「ゴム分子」くんたちの気持ちになって考えると、イメージが湧きやすくなりますよ。風船のゴムは、目には見えませんが、たくさんの「ゴム分子」が鎖のようになって、自由に動き回っている状態（だらーんとした状態）です。
風船を伸ばす時（＝温かくなる理由）
私たちが風船を「びよーん！」と無理やり引っ張ると、今まで自由に動き回っていたゴム分子くんたちは、強制的に「整列」させられることになります。これは、例えるなら「広い公園で遊んでいたのに、急に狭い教室に押し込められて『おしくらまんじゅう』させられる」ような状態です。窮屈になったゴム分子たちは、その「ストレス」や「動きのエネルギー」を、「熱」として外に放出します。だから、風船は温かくなるのです。
風船を縮める時（＝冷たくなる理由）
逆に、引っ張られて整列していた状態から、私たちが力を抜いて元に戻すと、ゴム分子くんたちは「解放」されます。「やったー！また自由に動けるぞ！」と、ゴム分子たちは再び活発に動き出すために、周りからエネルギー（熱）を吸収します。このとき、どこから熱を奪うかというと……そう、触れている私たちの「ほっぺた」からです。熱を奪われたほっぺたは、「冷たい！」と感じるわけです。
参考：【KEKエッセイ #29】チコちゃんは知っていた！ゴムはなぜ元に戻るのか https://www.kek.jp/ja/topics/20200715-2
この現象の名前は「ゴフ・ジュール効果」
「ゴムを素早く伸ばすと温かくなり、縮めると冷たくなる」この現象には、ちゃんと名前があります。1805年にゴフ（Gough）が発見し、後にジュール（Joule）が詳しく研究したことから「ゴフ・ジュール効果」と呼ばれています。ゴムのポリマー鎖は、乱雑に絡み合った状態（エントロピーが高い状態）が自然な姿です。
伸ばすとき：ポリマー鎖を無理やり整列させる（エントロピーを下げる）ことになります。このとき行った「仕事」がエネルギーとして放出され、熱が出ます。
縮めるとき：逆に鎖が乱雑な状態に戻ろうとします。このとき周囲からエネルギーを吸収するため、冷えます。
金属バネが縮もうとする力は「原子間の電気的な引力」によるもので、温度にあまり依存しません。一方ゴムの弾性力は「エントロピーを最大にしようとする統計的な力」なので、温度が高いほど縮む力が強くなります。これはゴム弾性の最大の特徴です。
また、NGKサイエンスサイト「ゴムの不思議な性質」https://site.ngk.co.jp/lab/no261/ では、ゴムを温めたり冷やしたりする実験が紹介されています。温めるとゴムは縮んでいく、という驚きの現象です。
ゴムが伸びた状態では分子は手を伸ばしきった不自由な形しかとれませんが、縮むと自由な形をとりやすくなります。一般に物質は温度が上昇すると、より自由度の高い状態になるため、伸ばしたゴムを温めると縮むのです。
「体感」することが科学の第一歩
このように、現象は面白いのに原理の説明が少し難しいことは、科学の世界ではよくあります。でも、まずは「あれ？」「不思議だな！」と肌感覚で体感してみることこそが、科学を楽しむ一番の入り口ですよね。風船１個で熱力学・エントロピー・未来の冷却技術まで話がつながる——これが科学の醍醐味です。サーモグラフィーを使って観察してみた様子はこちらをご覧ください。
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