実験装置はいたって単純です。写真１、２のように、ガラス管を曲げてＵ字管を作り、適当に段差をつけた二つの200mlビーカーと共に真空デシケーター（排気鐘でも可）内にセットします。もちろん上のビーカーとＵ字管には水を満たし、サイフォンとして働かせます。水が落下し終わらないうちに素早くデシケーターのふたを閉じ、真空ポンプで排気します（写真３）。スペースの関係上ビーカーの容量が限られるので真空ポンプにはある程度の排気力がないと十分な真空度に達しないうちに落ち切ってしまいます。
さて、結果はどうなるでしょう。これもあらかじめ予想を立ててから実験するとよいと思います。「真空中の逆さコップ」ほどの意外性はありませんが・・・。デシケーター内ではおおむね次のような現象が起こります。
写真１（左）ガラス菅で作ったＵ字管 写真２（右）落差をつけた二つのビーカーをＵ字管で結ぶ
写真３ 真空デシケータに入れて排気するまず新しい水で実験する場合、水の中には溶存気体が潜んでいますから、周囲の気圧が飽和水蒸気圧に達する以前にビーカー内に気泡が生じ始めます。特にＵ字管の入り口付近で発生する気泡は水流に乗って管内を移動し、下のビーカーへと流れていきます。これらの気泡はしだいに成長して連続的に沸騰状態へと移行していきます。沸騰が始まるころにはＵ字管内を移動する気泡はだいぶ大きくなって、ついには管の上部にこれが滞留して膨張し、管内の液面を両側に下げていきます。すなわち管内の水柱が切れるわけです。この時点でサイフォンは機能しなくなります。両側では段差のついた二つの水面が沸騰で泡立っています。ここまでの現象は近角先生の解説の通りでした。
しかし、Ｕ字管の両端が水面に没していれば、排気をやめ空気を戻していくときにやや意外な現象が起こります。Ｕ字管の両側から管内の液面が上昇してきて管の上部で出会って水柱がつながり、何事もなかったかのように再び流れ始めます。サイフォンが復活するのです。切れたサイフォンの管内を満たしていたのは水蒸気でしたから、これが凝縮すると水柱が自動的につながるわけです。
さて、この実験を同じ水で何度かくり返していると、溶存気体が減少して発泡が起こりにくくなります。このときに起こる現象はさらに意外です。デシケーター内の気圧がその温度での水蒸気圧を下回ると、前と同じように沸騰は起こりますが、発泡は水面付近に限られ管内に入りにくくなります。その結果、両方のビーカーが激しく沸騰して泡立っているにもかかわらず、サイフォンは平然と機能し続けて真空中でも水が落ち切ってしまうのです。
この実験をした日は暑い日でしたが、例えば気温・水温を３０℃とすると、水蒸気圧は4245Pa≒32mmHgで、水柱換算で約43cmH2Oとなります。つまり沸騰している水の周辺は完全真空ではなくこの程度の大気圧（水蒸気圧）が残っていますから、水面での水圧もこの程度はあるわけです。とすれば沸騰している水でも43cmの高さまで水柱を押し上げることはできる道理で、上記の現象は不思議ではないということになります。デシケーターの天井はそんなに高くありませんから。
水温が０℃になると水蒸気圧は611Pa≒4.6mmHgとなり、水柱換算で約6.2cmH2Oとなりますから、デシケーター内でも水柱が切れる現象が見られるかも知れません。いずれ冬の寒い日に氷水を使って実験してみようと思います。
サイフォンでは液体の粘性の働きも重要だと思います。管内の水は分子間力によって強く引き合っているのですから、あたかもひものように張力を発生するはずです。本当の高真空の中にサイフォン装置を置いた場合にいったい何が起こるのでしょうか。興味はつきないところです。
一つ前のページへ
ホームページに戻る