Under the hood: The chemistry of cars - Cynthia Chubbuck

翻訳: Hiroshi Uchiyama 校正: Tomoyuki Suzuki

There are over one billion cars in the world today,

現在 世界には 10億台以上もの自動車があり

getting people where they need to go,

行くべきところに 人びとを運んで行きます

but cars aren't just a mode of transportation,

しかし自動車は 移動手段というだけではなく

they're also a chemistry lesson waiting to be taught.

化学の勉強の場ともなっています

The process of starting your car begins in the engine cylinders,

自動車を動かすプロセスは エンジン内部のシリンダーから始まります

where a spritz of gasoline from the fuel injector

そこでは 燃料噴射装置から 噴霧されたガソリンと

and a gulp of air from the intake valve

インテークバルブから 一気に取り込んだ空気が

mix together before being ignited by a spark,

混合され スパークプラグにより点火すると

forming gases that expand and push the piston.

膨張しピストンを押す 気体となります

しかし燃焼は発熱反応なので 熱を発生します

But combustion is an exothermic reaction, meaning it releases heat.

Lots of it.

それも大量の熱です

And while much of this heat escapes through the tail pipe,

熱の大部分は マフラーから放出されますが

the heat that remains in the engine block needs to be absorbed, transported, and dissipated

シリンダーブロックに残った熱は 吸熱 運搬と放散する必要があり

to protect the metal components from deforming or even melting.

そうすることで金属部品を 変形や融解から守ります

This is where the cooling system comes in.

ここで冷却システムの出番です

A liquid gets circulated throughout the engine,

液体をエンジンの内部に循環させますが

but what kind of liquid can absorb all that heat?

どんな種類の液体が 熱をすべて吸収できるのでしょうか？

Water may seem like an obvious first choice.

明らかに 水が最初の選択肢として 挙げられるでしょう

After all, its specific heat,

何といっても水の比熱 ―

the amount of energy required to raise the temperature

つまり 一定の量の物質の温度を １℃上昇させるのに

of a given amount by one degree Celsius,

必要なエネルギー量は

is higher than that of any other common substance.

他のどんな一般的な物質よりも 高いのです

And we have a lot of heat energy to absorb.

吸収しなければならない 熱エネルギーは膨大ですが

But using water can get us into deep trouble.

水を使うことには 大きな問題を伴います

For one thing, its freezing point is zero degrees Celsius.

ひとつには水の凝固点は０℃です

Since water expands as it freezes,

水は凍結すると膨張するので

a cold winter night could mean a cracked radiator and a damaged engine block,

寒冷な冬の夜には ラジエーターの亀裂や シリンダーブロックの破損につながり

a chilling prospect.

凍り付くような事態となります

And considering how hot car engines can get,

しかも 自動車のエンジンが どれくらい高熱になるかを考慮すると

the relatively low boiling point of 100 degrees Celsius

水の沸点は100℃と比較的低いので

can lead to a situation that would get anyone steamed.

蒸気が発生する状況に至ります

So, instead of water, we use a solution,

そこで水の代わりに 溶液を使用します

a homogeneous mixture consisting of a solute and a solvent.

これは溶質と溶媒からなる 均質な混合物です

Some of the solution's properties will differ depending on the proportion of solute present.

溶液の特性のいくつかは 含まれる溶質の比率によって異なります

These are called colligative properties, and as luck would have it,

束一的性質と呼ばれる特性があり その中には運が良ければ得られる ―

they include freezing point depression and boiling point elevation.

凝固点降下や沸点上昇があります

So, solutions have both a lower freezing point and a higher boiling point than pure solvent,

溶液は 純粋な溶媒よりも低い凝固点と 高い沸点を同時に得られ

and the more solute is present, the bigger the difference.

しかも溶質の比率が高くなると それらの温度差も大きくなります

So, why do these properties change?

ではなぜ これらの特性が 変化するのでしょうか？

First of all, we need to understand that temperature is a measure

まず 温度は粒子の平均運動エネルギーの 尺度であることを

of the particle's average kinetic energy.

理解する必要があります

The colder the liquid, the less of this energy there is,

液体の温度が低いほど エネルギーは小さく

and the slower the molecules move.

分子の運動もゆっくりとしています

When a liquid freezes, the molecules slow down,

液体が凝固すると 分子の運動は低下し

enough for their attractive forces to act on each other,

分子間力が働くほどに 運動が十分に抑えられると

arranging themselves into a crystal structure.

結晶構造を形成します

But the presence of solute particles gets in the way of these attractions,

しかし媒質の粒子が 分子間力を阻害するため

requiring a solution to be cooled down further before the arrangement can occur.

結晶を形成するためには さらなる冷却が必要になります

As for the boiling point, when a liquid boils,

液体が沸騰する温度 沸点に達すると

it produces bubbles filled with its vapor,

蒸気で満たされた 気泡が生成されますが

but for a bubble to form, the vapor pressure must become as strong

気泡が形成されるためには 蒸気圧が

as the atmosphere constantly pushing down on the surface of the liquid.

液体表面に常に力を及ぼす大気圧に 匹敵する大きさにならねばなりません

As the liquid is heated, the vapor pressure increases,

液体が熱せられると蒸気圧は上昇し

and when it becomes equal to the atmospheric pressure,

これが大気圧と等しくなると

the bubbles form and boiling occurs.

気泡が形成され 沸騰が起こります

A solution's vapor pressure is lower than that of pure solvent,

溶液の蒸気圧は 純粋な溶質より低いため

so it must be heated to an even higher temperature

大気圧に等しくなるためには

before it can match the strength of the atmosphere.

より高い温度にまで 熱しなければなりません

As an added bonus, the pressure in the radiator

副次的な効果として ラジエーター内の圧力は

is kept above atmospheric pressure,

大気圧より高く保たれ

raising the boiling point by another 25 degrees Celsius.

沸点をさらに25℃ほど 上昇させます

The solution commonly used for a car's cooling system

自動車の冷却システムで 通常 使用される溶媒は

is a 50/50 mixture of ethylene glycol and water,

エチレングリコールと水の 50対50の混合液です

which freezes at -37 degrees Celsius and boils at 106 degrees Celsius.

凝固点はマイナス37℃ 沸点は106℃です

At the highest recommended proportion of 70 to 30,

推奨される配合比は 最大で70対30で

the freezing point is even lower at -55 degrees Celsius,

凝固点は さらに低いマイナス55℃

and the boiling point rises to 113 degrees Celsius.

沸点は113℃まで上昇します

As you can see, the more ethylene glycol you add,

お分かりの通り エチレングリコールを加えていくと

the more protection you get, so why not go even higher?

より保護力が高まりますが なぜ更に配合比率を上げないのでしょうか

Well, it turns out you can have too much of a good thing

それはやりすぎだと分かります

because at higher proportions,

より配合比率が高まると

the freezing point actually starts to go back up.

凝固点はなんと上昇し始めるからです

The properties of the solution head towards the properties of ethylene glycol,

溶液の特性は エチレングリコールの特性 ―

which freezes at -12.9 degrees Celsius,

凝固点マイナス12.9℃に近づきます

a higher temperature than we attained with the solution.

これでは 達成済みの溶液の凝固点より 高くなってしまいます

The solution flows through the engine, absorbing heat along the way.

冷却用の溶液はエンジン内を 熱を吸収しながら流れます

When it reaches the radiator, it's cooled by a fan,

ラジエーターに達すると 車の前面に流れ込む空気と

as well as air rushing through the front of the car

ファンによって冷却され

before returning to the hot engine compartment.

その後 高温のエンジン部分に戻されます

So, an effective and safe engine coolant

ですから 効率的かつ安全な エンジン冷却水は

must have a high specific heat, a low freezing point, and a high boiling point.

高い比熱と低い凝固点と高い沸点を 合わせ持つ必要があります

But instead of searching all over the world for the perfect liquid to solve our problem,

この問題に対する完璧な液体を 世界中から探し出す代わりに

we can create our own solution.

解決できる溶液を 創り出すことだって可能です