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１．はじめに　― 物質の三態 ―

世の中にある物質は，小さな粒子^注１が集まることによってできています．この粒子の並び具合によって，物質は固体・液体・気体の３つの状態をとることができます．

1. 固体では，粒子同士が互いに強く結びつき，規則正しく並んでいます．これらの粒子はじっとしているのではなく，熱振動をしています．
2. 液体では，粒子同士は互いに引き合いながらも，いろんな方向にある程度動き回ることができます．
3. 気体では，粒子はばらばらになって，高速で飛び回っています．

固体の温度が上がると，熱振動が激しくなり，ついには粒子がある程度自由に動き回ることができるようになり，液体になります． これが融解です．

液体の温度がさらに上がるにつれ，粒子の運動は全体にますます激しくなっていきます． 液体の表面にあってしかも運動の激しい粒子は，ついには粒子同士の引き合う力をふりきって，空間に飛び出して気体となります． これが蒸発です．
さらに温度が上がると，液体内部でも粒子同士の引き合う力をふりきって気体（泡）が発生するようになります． これが沸騰です．
蒸発と沸騰とをあわせて気化ということもあります．

この教材では，水の状態変化

　　固体の氷　　液体の水　　気体の水蒸気
　　　　　　　　融解　　　　　気化（沸騰）

を，原子・分子レベルのアニメーション^注２で眺めることができます．

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２．氷が融解していく計算

96個のH₂O分子（= 192個のH原子 + 96個のO原子）からなる氷を，80℃（= 353 K）に保持しました．
約40 ps^注３ （= 40×10^-12秒）後に融解が始まり，内部エネルギー E および密度 D の上昇が起こりました．

融解する前の氷

氷結晶を作っているH原子とO原子とが，激しく熱振動しています．
より激しく動いているのはどちらでしょうか？
水分子（H₂O）が六角形状に並んでいるということもわかりますね．

アニメーションにおけるコマとコマとの間隔は0.02 ps^注３ （= 0.02×10^-12秒）に相当します．

もう少し長いアニメーション（6.7秒間）を見る　（AVI形式, 4.1 MB）

融解したばかりの水

水分子（H₂O）が泳ぎまわっている様子がわかります．液体の水になったのです．

もう少し長いアニメーション（6.7秒間）を見る　（AVI形式，4.8 MB）

融解が起きる様子

それでは，次に融解が起きるときの様子を見てみましょう．
はじめのうちは結晶を構成するH原子とO原子とが激しく熱振動しているだけですが，３分の２を過ぎたあたりで結晶があっという間にくずれてしまいます．
融解が起きる様子のアニメーション（27秒間）を見る　（AVI形式，17 MB）

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３．液体の水が気化（沸騰）していく計算

96個のH₂O分子（= 192個のH原子 + 96個のO原子）からなる液体の水を，300℃（= 573 K）に保持しました．
時間とともに，内部エネルギー E が少しずつ上昇し，密度 D は減少していきます．
気化が始まっているのです．

気化が始まっている様子

最初のうちは，水分子（H₂O）が互いに近い距離を保ちながら泳ぎまわっています．

やがて，分子間の距離が広がっていくとともに，箱全体の体積も増大していきます．

さらに，いくつかの分子が時々まっすぐ飛んでいく様子が観察されるようになります．

もう少し長いアニメーション（1分21秒間）を見る　（AVI形式，30 MB）

1. 全体をながめてみましょう．H₂O分子はどれもいそがしく動いていますね．
2. どれか１つのH₂O分子を目で追いかけてください．おもしろい動きをしていますよ．
   （どんな動きをしていますか？まっすぐ飛んでいましたか？
   どうしてこのような動きをするのか，繰り返し見てぜひ考えてください．）