氷は、なぜ0℃の水よりずっとよく冷やせるの？
― 溶けるあいだだけ、けた違いの熱を吸い込んでいます

飲み物を冷やすとき、氷を入れるのと、同じくらい冷たい水を足すのとでは、冷え方がまるで違います。どちらも0℃に近いのに、なぜでしょう。理由は、氷が溶けるという出来事そのものに、大きな熱を隠しているからです。数字にすると、その差はおよそ4倍でした。

理由は、大きく2つです

この2つは、どちらも同じひとつの性質から来ています。順番に見ていきます。

同じ0℃でも、氷と水はまったく別物です

0℃の氷と、0℃の水。温度計はどちらも0℃を指します。それでも、含んでいる熱の量はまるで違います。水の分子どうしは、たがいに手をつないだような形で引き合っています。氷では、この手のつなぎ方がすきまなく整っています。

氷を溶かすということは、この手を1本ずつほどいていくことです。ほどくには力が要ります。だから熱を加えても、その熱はまず「ほどく」ほうに使われます。温度を上げるぶんは残りません。

図1を見てください。氷に少しずつ熱を加えていったときの、温度の変わり方です。左端では氷の温度が上がります。ところが0℃に着くと、線は横に長く寝てしまいます。この平らな区間が、溶けているあいだです。ここでは熱を加え続けても、温度計の数字はまったく動きません。

どれくらい違うのか、数で確かめます

ここからが、この記事のいちばん伝えたいところです。感覚では「氷のほうが少し強い」くらいに思えます。実際に計算すると、差はもっと極端でした。

水1グラムの温度を1℃上げるのに必要な熱は、約4.2ジュールとされています。いっぽう氷1グラムを溶かすのに必要な熱は、約334ジュールです。この2つを比べると、およそ80倍。つまり氷1グラムが溶ける熱で、同じ量の水を80℃も温められることになります。

飲み物の場面に置きかえます。氷100グラムが溶けきるまでに吸う熱と、0℃の水100グラムが20℃になるまでに吸う熱。後者は前者のおよそ4分の1しかありません。冷たい水を足すやり方は、氷の4分の1しか熱を引き受けられないのです。冷え方が違って当然でした。

しかも、この差は氷が消えるまで続きます。溶けきったあとの水は、ふつうの冷たい水と同じ働きしかできません。保冷箱の中の氷が消えたとたんにぬるくなるのは、そのためです。

まとめ

氷がよく冷やすのは、冷たいからではありません。溶けるという出来事が、温度計にあらわれないまま大量の熱を吸い込むからです。同じ0℃でも、氷と水では引き受けられる熱の量がまるで違います。

冷たさを配っているのは、氷の温度ではありません。
氷が「氷でなくなる」その瞬間です。

0℃より下げたいときの話は氷に塩をかけると、なぜ0℃より冷たくなるの？へ続きます。同じ温度でも感じ方が違う理由はなぜ金属は木より冷たく感じるの？を、水と氷のかさの不思議はなぜ氷は水に浮くの？をどうぞ。

※本記事は一般向けの科学解説です。掲載した数値は、しくみを理解するための目安・概算です。体を冷やす場合は、皮膚に氷を直接長く当てないでください。手当てに迷うときは、医療機関や自治体の案内に従ってください。