空の雲とまったく同じ仕組み！アルコールとペットボトルで断熱膨張を体感しよう（消臭スプレーの利用）
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
今回は断熱膨張についての実験を紹介します。家でも出来る簡単な実験ですが、その仕組みは空の雲が生まれる原理と全く同じです。材料は身近なものだけ。ぜひ試してみてください。
用意するもの・実験手順
用意するものは、空のペットボトル、消毒用アルコール（1吹き分）、クツの消臭スプレー(Amazon)の3つだけです。まず、空のペットボトルに消毒用アルコールを一吹き入れます。ボトルを軽く振って、内部をアルコール蒸気で満たしましょう。次に消臭スプレーを少し吹き込んで、すぐに蓋をします。
これで準備完了です。あとはペットボトルをギュッと押してみるだけです。
こちらの動画をご覧ください。
ペットボトルを押した状態からパッと手を離すと、中が突然白く曇りますよね。これが雲です。
なぜ雲ができるのか——断熱膨張のしくみ
この現象を順番に整理してみましょう。
まず最初に、アルコールを入れてボトルを振ることで、ボトルの中をエタノール蒸気で満たしておくことがポイントです。この時点で、エタノールはすでに気体として空気中に漂っています。
次にペットボトルをギュッと押します。すると中の空気が圧縮され、外から仕事をされた空気の温度がわずかに上がります。これを「断熱圧縮」といいます。温度が上がったことによって、エタノールが気体になる量が増えます。
そして手を離すと、圧縮されていた空気が一気に膨張します。このとき空気は外に向かって仕事をするために自分のエネルギーを使うので、温度が急激に下がります。これが「断熱膨張」です。温度が下がると、それまで気体として漂っていたエタノール蒸気が液体に戻ります。この無数の小さな液滴が光を散乱させて、白い雲のように見えるのです。
なぜ水ではなくアルコールを使うのか
「水でも同じことができるんじゃないか？」と思った人、鋭い疑問です。ペットボトルを手で押す程度の温度変化はほんのわずかなので、その小さな変化でも確実に気体になる量が増えるエタノールを使うのがポイントです。水だけでは雲がほとんど見えません。
消臭スプレーには、エタノール蒸気が液化するときの「核」となる微細な粒子が含まれています。雲粒が集まるための足場を作ってくれるわけです。これは実際の雲が、空気中のほこりや海塩の粒を核として形成されるのと全く同じ原理です。
空の雲も、同じ仕組みで生まれている
実は、空に浮かぶ雲もこのペットボトルの中で起きたことと全く同じ原理で生まれています。地表付近の空気が太陽熱で温められると、上昇気流が生まれます。上空に行くほど気圧が低いため、上昇した空気は膨張して温度が下がります。すると空気中の水蒸気が液化して、無数の小さな水滴となり——それが雲として見えるのです。
空の雲も、ペットボトルの雲も、「膨張→冷却→液化」という同じ3ステップでできています。手のひらサイズのペットボトルの中で、空と同じ現象が起きているというのは、なんとも不思議で美しいことですよね。
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