冷凍庫で水は何時間でこおる？
家庭の冷凍庫（−18℃）に水道水（20℃）を入れたときの目安は、次のとおりです。「こおりはじめ」は水が0℃になってまわりに氷ができはじめるころ、「こおりきる」はまん中までかたくこおるころです。
| 入れ物（水の量） | こおりはじめ | 半分こおる | こおりきる |
|---|---|---|---|
| 製氷皿・プラスチック（180ml） | 約30分 | 約1時間50分 | 約3時間10分 |
| 製氷皿・金属（180ml） | 約20分 | 約1時間10分 | 約2時間10分 |
| 紙コップ（100ml） | 約40分 | 約2時間50分 | 約5時間 |
| ペットボトル500ml | 約1時間 | 約3時間40分 | 約6時間30分 |
| ペットボトル2L | 約1時間30分 | 約6時間10分 | 約11時間 |
冷凍庫の中のつめこみぐあいや、扉を開ける回数、冷やし方（風を回す方式かどうか）で時間は変わります。製氷皿の氷は「3〜4時間」、500mlのペットボトルは「6〜8時間」がよく言われる目安で、計算もそのはんいに入ります。
どうして0℃で温度が止まるの？
冷凍庫の冷たい空気は、入れ物の外がわから水の熱をうばいます。水の温度はだんだん下がり、0℃になると、まわりから氷ができはじめます。水が氷にかわるときには、たくさんの熱を出さなければならないので、こおっているあいだは温度が0℃のまま止まります。ぜんぶこおると、氷の温度がまた下がって、冷凍庫の温度に近づいていきます。
おうちの方向けに言うと、水1gを0℃の氷にするには約334J（ジュール）の熱（融解熱）を取りさる必要があり、これは水1gを80℃冷やすのと同じくらいの量です。そのため、20℃の水を冷やす時間よりも、0℃でこおらせる時間のほうがずっと長くかかります。熱がにげる速さは「入れ物の表面積×温度の差」にほぼ比例するので、同じ量なら平たく広い入れ物（製氷皿）ほど早くこおり、ペットボトルのように太い入れ物ほど時間がかかります。小学4年生の「水のすがたとゆくえ」で、水がこおるときの温度の変化として学びます。
おうちでの実験のやり方
- 製氷皿、紙コップ、小さなペットボトルなどに水を入れる。ペットボトルは、こおるとふくらむので9わりくらいまでにする。
- 入れた時刻と、水の温度を記録してから、冷凍庫に入れる。
- 30分ごとに冷凍庫を開けて、ようす（まわりに氷ができた・半分くらい・まん中まで）を見る。開ける時間は短くする。
- 冷凍庫用の温度計（センサーを水に入れておくもの）があれば、温度も記録してグラフにする。
- このシミュレーターで、同じ入れ物・温度の予想とくらべる。
ガラスのびんや、炭酸飲料のペットボトルは、こおるとふくらんで割れたり、こわれたりすることがあるので冷凍庫に入れないでください。お湯を使うときは、おうちの人に用意してもらいましょう。熱いものを入れると、まわりの食品がとけることがあるので、冷凍庫に入れてよいか、おうちの人に聞いてからにします。こおった入れ物や氷は、ぬれた手で長くさわらないようにしましょう。
自由研究のまとめ方のヒント
条件を1つだけ変えてくらべると、わかりやすい研究になります。たとえば「入れ物の形（平たい・細長い）」「入れ物の材料（プラスチック・金属・紙）」「水の量」「入れる水の温度」などです。30分ごとのようすを表にし、温度をはかれたら、横じくに時間、たてじくに温度をとった折れ線グラフにすると、0℃で平らになるところがはっきり見えます。予想（このシミュレーター）と結果がずれたときは、その理由を考えるのもりっぱな研究です。
よくある質問
お湯のほうが早くこおるって本当？
「熱いお湯のほうが水より早くこおることがある」という話（ムペンバ効果）がありますが、いつも起こるわけではなく、条件によって結果が分かれることが知られています。お湯は湯気になって量がへる、入れ物の底の霜がとけて冷えやすくなる、などの理由が考えられています。このシミュレーターでは、湯気でへる分などは考えていないので、お湯のほうがおそくこおります。
0℃より冷たくなっているのに、こおらないことがあるのはなぜ？
しずかに冷やした水は、0℃より低くなってもしばらく水のままでいることがあります（過冷却）。何かのきっかけで一気に氷ができはじめ、そのとき温度が0℃までもどります。このシミュレーターでは過冷却は考えていません。
早くこおらせるには、どうしたらいい？
水の量を少なくして平たく広げる、熱をよく伝える金属の入れ物やトレーを使う、はじめから冷たい水を使う、冷凍庫の温度を「強」にする、などの方法があります。上の「入れ物でくらべる」で、ちがいをたしかめてみましょう。
ジュースや塩水は、水と同じ時間でこおる？
ジュースや塩水は、0℃より低くならないとこおりはじめず、こおるほど残りの部分がこくなって、さらにこおりにくくなります。そのため水より時間がかかり、こい部分が最後までシャーベットのように残ることがあります。氷に塩をまぜて冷やすしくみは氷と塩で冷やすシミュレーターで見られます。
氷がふくらむのはなぜ？
水がこおると、体積が約9%大きくなるからです。氷は水より軽くなるので、水にうかびます。あたためたときの空気や水の大きさの変わり方は、空気と水の温度と体積シミュレーターでくらべられます。
この実験に使えるもの
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