テキサス州の気象状況はひどい災害となっています。寒さと停電により、多くの人が暖房のない家の中に閉じ込められています。さらに、テキサス州の住宅や建物のほとんどは、氷点下の気温が長時間続くことを想定し設計されていません。そのため、水道管の凍結や破裂も数多く発生しています。これは好ましくありません。
しかし、誰もが持っているもので何とかしようとします。データサイエンティスト兼社会科学者のルマン・チョウドリー氏がヒューストン郊外のファストフード店の外で撮影したこの写真がTwitterで話題になっているのを見たことがあるかもしれません。どうやら、ある賢い人物がハンバーガーのパンをパイプの断熱材として使おうとしていたようです。
この施設のマネージャーに電話したところ、何も知らないと言われました。そこで、何の情報も得られず、こんな疑問が湧いてきました。「本当に効果があるの？そもそも、寒い時期に水道管が破裂するのはなぜ？」と。さあ、調べてみましょう。
水が凍るのは奇妙だ
私たちは水（H 2 O）の世界に住んでいます。水は気体（水蒸気）、液体（あの湿ったもの）、そして固体（氷）として存在します。しかし、水は不思議な性質を持っています。他のほとんどの物質には見られない性質を持つのです。液体としての密度は、固体としての密度よりも大きいのです。
しかし、水は氷になると浮くだけではありません。凍ると膨張します。膨張せざるを得ないのです。1グラムの液体の水が1グラムの密度の低い氷に変わると、より多くの体積を占めることになります。液体の水が氷になる際の膨張は非常に強力で、容器から飛び出すこともあります。うっかり水の入ったボトルを冷凍庫に放置したことがある方は、この現象を目にしたことがあるでしょう。しかし、この膨張は鋼鉄などの金属をも破壊するのです。
これは研究室で見つけた古い物理のデモです。氷爆弾と呼ばれています。氷でできているからではなく、氷が爆発させるからです。ぜひ見てみてください。
写真：レット・アラン
これは上部にねじナットが付いた小さな鋼鉄製の容器です。この容器に水を満たし（隙間を作らずに）、凍らせます。中の液体の水が氷に変わると、鋼鉄製の容器が壊れるほどの圧力がかかります。熱エネルギーを加えるのではなく、取り除くことで何かを爆発させるという、この実験のすばらしさに、いつも驚かされます。
では、この鉄製の容器があなたの家の水道管だと想像してみてください。（雨水を貯めたり、水素と酸素から水を作っている人でもない限り、おそらく持っているでしょう。）気温が下がりすぎると、水が凍って文字通り水道管が破裂する可能性があります。これは大変です。それでは、いくつか質問と回答を。
なぜ南部ではこのようなことがもっと頻繁に起こらないのでしょうか?
住宅の水道管はほぼ必ず地中に埋設されています。これは良いことです。気温は夏と冬で大きく変化しますが、地中温度ははるかに一定です。南部の州では、地中温度が氷点下になることは少ないため、水道管内の水も氷点上（つまり液体のまま）に保たれます。
しかし、例外もあります。温暖な気候の地域では、水道管システムのすべての部分が地下にあるわけではなく、空気層を通過することもあります（ちなみに、私は暖かい地域に住んでいて、屋根裏に水道管があります）。冷たい水（例えば1℃）と温かい氷（0℃）の温度差はわずかですが、エネルギー差は大きく、水を固体から液体に変化させるにはかなりのエネルギーが必要です。これを融解潜熱と呼びます。水の場合、融解潜熱は1グラムあたり344ジュールです。分かりにくいかもしれませんが、例を挙げて説明しましょう。
1リットルの氷（質量約1,000グラム）があるとします。この氷を0℃で1℃の水に変えようとすると、344,000ジュールのエネルギー（水の温度を上げるためのわずかなエネルギーも含む）が必要になります。これはどれくらいのエネルギーでしょうか？例えば、3,000mAh（ミリアンペア時）のバッテリーを搭載したスマートフォンがあるとします。これは41,000ジュールに相当します。つまり、スマートフォンを丸一日駆動させるには十分なエネルギーがあるかもしれませんが、氷をすべて溶かすには、このスマートフォンを8台か9台必要とすることになります。
実は、これは良いことです。溶けた氷を使って飲み物を冷やせるのです。しかも、それほど多くの氷は必要ありません。つまり、配管を凍らせるにはかなりの熱エネルギーを奪う必要があるということです。たった一晩の寒い夜では、配管が破裂するほどではないでしょう。
蛇口を流しっぱなしにしておくと効果があるのでしょうか?
はい。では、水道管の中にいるところを想像してみてください。（はい、あなたは今、とても小さいんです。）水が止まっている場合、冷たい空気にさらされている部分に閉じ込められてしまうかもしれません。凍ってしまう可能性もあり、そうなると水道管を壊さなければなりません。でも、今度は蛇口から少し水が滴っていて、水が流れているとしましょう。あなたはまだ水道管の中にいる小さな人間ですが、今度は動いています。冷たい水道管の部分を通過すると、あなたは冷たくなりますが、凍えることはありません。家の他の場所へと移動するだけです。
ああ、でも地下本管から流れ込む水は、冷たい部分にもっと入ってくるんです。凍ってしまうでしょうか？あまり考えられません。水道管は地中温度なので、氷点下になることはまずありません。つまり、入ってくる水はそれほど冷たくなく、凍らないはずです。
断熱はどうですか?
断熱材は効果的です。露出した配管の周りに発泡断熱材を巻くと、クーラーボックスや断熱カップと同じ効果があります。断熱材は、熱伝達によって熱いものから冷たいものへエネルギーが伝わる速度を低下させます。冷たい飲み物をテーブルに置くと、エネルギーが飲み物に伝わり、温度が上昇します。一方、飲み物をクーラーボックスに入れると、断熱性が高まり、エネルギー伝達速度が低下するため、飲み物が温まるまでの時間が長くなります。
パイプ周りの発泡断熱材の場合、水は空気よりも温かいため、水から放出されるエネルギーの割合が低下します。覚えておいてください。水から十分な熱エネルギーを除去すると、液体から固体への相転移が起こります。これが危険な部分です。ですから、パイプには断熱材を必ず使用してください。
ハンバーガーのバンズを断熱材として使えますか？
いよいよ本題に入りました。皆さんが探し求めている答えはこれです。さあ、お伝えしましょう。答えは「イエス」です。そうです。むき出しになった水道管の周りにハンバーガーパンを置くと、断熱性が高まり、水道管の凍結（破裂）のリスクを軽減できます。
でも、それはどのように機能するのでしょうか？実は、最も優れた断熱材の一つは空気です。何もない状態（真空）ほどではありませんが、それでもかなり効果的で、真空断熱材よりもはるかに簡単に作ることができます。実際、ほとんどの断熱材の根底にあるのは、空気を取り入れるという考え方です。ゴムフォームがなぜ優れた断熱材なのかご存知ですか？そうです、空気です。ゴムフォームの中には小さな空気の空間があります。あの素敵なフリースジャケットはどうでしょうか？それは空気です。フリースは空気を閉じ込めるので、優れた断熱材になります。壁や屋根裏のグラスファイバー断熱材も、実際には空気を閉じ込めて家を断熱しているだけです。
ハンバーガーのバンズはどうですか？バンズをよく見たことがあるか分かりませんが、もし見たことがあるなら、空気が入っているのがわかると思います。パンって、ほとんど空気でできているように見えますよね。生地の中の小さな気泡が、焼くとパンを膨らませるんです。だから、このバンズはパイプの断熱材として使えるんじゃないかと思います。悪化させることは絶対にないので、試してみる価値はあると思います。バンズをたくさん失う方が、壊れた水道管を修理するよりずっと安いでしょう。
WIREDのその他の素晴らしい記事
- 📩 テクノロジー、科学などの最新情報: ニュースレターを購読しましょう!
- 未熟児とパンデミックNICUの孤独な恐怖
- 研究者たちは光だけを使って小さなトレイを浮かせた
- 不況は米国の労働者再訓練の失敗を露呈する
- 内部からの「ズーム爆弾」を阻止するのがなぜ難しいのか
- ノートパソコンの空き容量を増やす方法
- 🎮 WIRED Games: 最新のヒントやレビューなどを入手
- 🏃🏽♀️ 健康になるための最高のツールをお探しですか？ギアチームが選んだ最高のフィットネストラッカー、ランニングギア（シューズとソックスを含む）、最高のヘッドフォンをご覧ください
