１Ａ. 液体窒素・液化ガス

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液体窒素温度（77 K）～ドライアイス温度（～200 K）程度の低温の世界に親しむとともに、熱電現象および熱電対を用いた温度測定の基礎を体得する。

１Ａ-1. 熱電対を用いた温度測定

１Ａ-２. ドライアイス・液体アンモニア

１Ａ-３. 液体窒素・液体酸素

１Ａe. 「液体窒素・液化ガス」の背景

１Ａe-1. 熱電対による温度測定

図1A1. 熱電対による温度測定の模式図

抵抗線の両端に温度差があると、温度差に応じた電位差が現れる（熱起電力）。 今回の実験では、異なる材質からなる金属線の対（熱電対）（T ではCu（銅）とCS（コンスタンタン）、 K ではC（クロメル）とA（アルメル））を用いて図1A1のような回路を構成して、 温度 T_X と T_Y における熱起電力の差を測定していることになる。 なおマルチメータは自身の温度 T_Z と回路の電圧Vを測定し、 プローブと抵抗線との接合部の温度 T_Yがほぼ T_Z に等しいものとして、 K 熱電対で測定した電圧から熱電対の接合部（熱接点）の温度 T_X を算出して表示する。

T 熱電対とK 熱電対の室温付近での熱起電力 V の挙動は似ていて、 -30～70 °Cの範囲であれば、大まかに温度差 Δt に比例するとみてよく

V / mV = 0.040 (Δt / °C)

の関係が成立する（誤差は5%以内程度）。

図1A2. K 熱電対と T 熱電対の熱起電力（TY = 0 °C）

１Ａe-2. 二酸化炭素とアンモニアの相挙動と液体アンモニア

二酸化炭素の三重点（-56.6 °C、0.52 MPa）の圧力は高く、常圧で液体は安定に存在できない。 通常ドライアイスの温度とされるものは二酸化炭素の1 気圧での昇華点（-78.5 °C）に相当する。 ドライアイスにメタノールを混ぜると熱伝導がよくなり、ドライアイスのメタノールへの溶解・気化による周辺温度の低下が促進され効率的な冷却が可能となる。

アンモニア（三重点 -77.8 °C、6.1 kPa）の１気圧における沸点は-33.3 °Cであり、 ドライアイス-メタノールで液化できる。 溶媒としての液体アンモニアの特異な性質として、アルカリ金属、アルカリ土類金属を溶解することが挙げられる（ただしBe、Mgはほとんど溶けない）。 金属ナトリウムは -40 °Cで約20 mass%まで液体アンモニアに溶け、溶媒和電子を生じることが知られている。

１Ａe-3. 液体空気・酸素

窒素、酸素の標準沸点はそれぞれ -195.8 °Cと -183.0 °Cである（融点は -210.0 °Cと -218.8 °C）。 液体空気（沸点は -194 °C。露点は -192 °C）を蒸発させると最初窒素に富んだ組成の空気が蒸発し、酸素に富んだ組成の空気が残る。 酸素濃度が高くなると、酸素は常磁性を示すので磁石に強く引き寄せられるようになり、また青い色を示すようになる。 なお真空ポンプで急速に減圧することで蒸発熱が奪われ、容易に固体窒素をえることができる。

「液体窒素・液化ガス」のこと

この課題では、ドライアイス温度から液体窒素温度ぐらい、 -30 °C ～ -200 °Cぐらいの、 家庭用冷蔵庫では実現できない低温の世界を扱います。 当初は、熱電対による温度測定の原理に触れ、 ドライアイス-メタノールの挙動の検討（メタノールにドライアイスはどれだけ溶けるか）、 液体空気の製造ぐらいを課題に指定して、 「後は（危なくない程度に）お好きにどうぞ」 というスタンスでした。 それがだんだんに膨らんで、 液体酸素、液体アンモニアへの金属ナトリウムの溶解、 ペルチエ素子といった要素を取り込んで、 いささか欲張った内容になっています。

できるだけコンパクトな構成で、 それぞれどのように実験してもらうかについては、 結構苦労しました。 例によって話が長くなるので、 実験の少し詳しい話は下記サイトを参照ください。