ぬるい麦茶を冷やしたいとき、氷を入れることがあります。冷たい水を足しても温度は下がりますが、氷を入れるとよく冷えるのはなぜでしょうか。
「氷のほうが冷たいから」と考えるかもしれません。では、0℃の氷と0℃の水を、同じ量だけ使ったらどうでしょう。同じ温度なら、冷え方も同じになるのでしょうか。
実は、氷には、液体の水にはない熱の受け取り方があります。氷は、溶けて水に変わるときにも、飲み物から熱を受け取ります。この違いを、コップの中で起こることから考えてみましょう。
まずは、同じ条件で比べよう
片方に氷をたくさん入れ、もう片方に水を少しだけ入れても、氷と水の違いを公平には比べられません。ここでは、次の条件をそろえます。
- 冷やす飲み物の量と最初の温度、容器は同じにする。
- 加えるのは、0℃の氷20gか、0℃の水20gにする。
- まずは、周りの空気や容器との熱のやり取りを考えないことにする。
同じ大きさ（体積）ではなく、同じ20gでそろえるのは、氷と水では同じ体積でも質量が違うためです。20gの水を、凍ったまま使うか、液体のまま使うかを比べる、と考えてください。
冷凍庫から出したばかりの氷は、0℃より低いことがあります。その氷は0℃まで温まるときにも熱を受け取りますが、今回は「同じ0℃でも違いがあるのか」を調べるため、最初から0℃の氷として考えます。
また、ここで比べたいのは、何秒で冷えるかではありません。十分に熱をやり取りしたあと、最後に何℃で落ち着くかです。
飲み物が冷えるとき、熱はどちらへ移る？
まず、「温度」と「熱」を分けて考えましょう。温度は、温かさや冷たさを℃などの数値で表したものです。一方、温度の違いによって物から物へ移るエネルギーを、熱といいます。
温度の違う物が触れ合うと、熱は温度の高い方から低い方へ移ります。ぬるい麦茶に冷たい水を加えた場合なら、熱が移る向きは「麦茶から、加えた冷たい水へ」です。
熱を渡した麦茶は温度が下がり、熱を受け取った水は温度が上がります。氷を入れた場合も、熱が移る向きは飲み物から氷へです。氷から「冷たさ」という物が流れ出しているわけではありません。
外との熱のやり取りがなければ、やがて全体が同じ温度になり、温度差による熱の移動は落ち着きます。この状態を「熱平衡（ねつへいこう）」といいます。
水は温まる。でも、氷は溶けるときにも熱を受け取る
0℃の液体の水に熱を加えると、1℃、2℃というように温度が上がっていきます。では、0℃の氷に熱を加えたら、すぐに1℃の氷になるのでしょうか。
固体が液体になることを「融解（ゆうかい）」といい、そのときの温度を「融点（ゆうてん）」といいます。ふつうの地上に近い気圧では、純粋な氷の融点は約0℃です。なお、氷が水に変わる「融解」と、砂糖が水に溶ける「溶解（ようかい）」は、別の変化です。
ここで、砂糖や塩などを含まない純粋な水と氷が、十分に熱をやり取りして約0℃でつり合っている状態を考えます。この状態を保ちながら少しずつ熱を加えると、温度はほぼ0℃のまま、氷が減って水が増えていきます。
中学理科では、氷などを加熱したときの温度の変化をグラフで学びます。氷が溶けている間にグラフの線がほぼ水平になるのは、熱を加えても温度がほとんど変わらないためです。
温度計の数字が上がらなくても、熱を受け取っていないわけではありません。受け取った熱は、氷が水に変わるために使われています。この、溶けるときに必要な熱を「融解熱（ゆうかいねつ）」といいます。
温度計で分かるのは、今の温度です。それだけでは、これまでにどれだけの熱を受け取ったかは分かりません。氷がどれくらい溶けたかにも、熱を受け取った結果が表れるのです。
氷の中の小さな粒は、どう変わる？
水は、目に見えない小さな粒である「水分子（みずぶんし）」からできています。氷の中では、水分子が規則的に並んでいます。動かずに止まっているのではなく、それぞれの位置の周りで振動しています。
氷が溶けると、分子同士の並び方や結びつき方が変わり、分子が互いに位置を入れ替えながら動けるようになります。この変化にもエネルギーが必要です。
氷でも液体の水でも、水分子そのものは同じです。溶けたからといって、水分子が別の物質に分かれるわけではありません。液体になっても、分子同士の結びつきは残っています。
溶けてできた水も、そのあと温まる
氷が水になったあとも、その水が周りの飲み物より冷たければ、熱を受け取って温まります。0℃の氷が溶け、最後に0℃より高い温度の水になる場合を、初めから液体の水だった場合と比べましょう。
| 最初の状態 | 飲み物から受け取る熱 |
|---|---|
| 0℃の水 | 温まるための熱 |
| 0℃の氷 | 溶けるための熱 ＋ 溶けた水が温まるための熱 |
初めから液体の水には、「溶けるための熱」の分がありません。同じ0℃から始めても、氷には水に変わるために熱を受け取る分があるのです。
実際のコップでは、まだ氷が残っていても、先に溶けた水が周りの飲み物と混ざって温まることがあります。氷が全部溶け終わるまで、その水が0℃のまま待っているわけではありません。
同じ20gを加えると、最後の温度はどれくらい違う？
次は、数で比べてみましょう。麦茶の成分などの影響を入れないように、冷やす側も純粋な水にします。30℃の水200gに、0℃の水20gか、0℃の氷20gを加える場合です。
周りの空気や容器との熱のやり取り、水の蒸発、かき混ぜることで加わるエネルギーは無視します。水の温まり方などに使う数値も一定として計算します。実際に測った結果ではなく、条件を決めて考えた計算上の結果です。
| 30℃の水200gに加えるもの | 全体が落ち着いたあとの温度 |
|---|---|
| 0℃の水20g | 約27.3℃ |
| 0℃の氷20g | 約20.0℃（氷はすべて溶ける） |
加えた量も最初の温度も同じなのに、最後の温度に違いが出ます。氷は溶けるときにも熱を受け取るため、もとの水からより多くの熱が移るからです。
氷が溶けるには、どれくらいの熱が必要？
熱として移るエネルギーの量を「熱量」といい、J（ジュール）という単位で表します。℃が温度の単位であるのに対し、Jはエネルギーの単位です。
0℃の氷1gを、0℃の水に変えるのに必要な熱は約334Jです。これがどれくらいの量なのか、水を温める場合と比べてみましょう。
水1gを1℃温めるのに必要な熱は約4.18Jです。小数第1位まで丸めれば、教科書でも使われる約4.2Jになります。ここでは4.18Jを使って比べます。334 ÷ 4.18 は約80です。
つまり、氷1gが溶けるときに受け取る熱は、水1gを0℃から約80℃まで温める熱と同じくらいなのです。同じ1gの水を、たった1℃上げる場合と比べると、とても多くの熱が必要だと分かります。飲み物の温度が80℃下がる、という意味ではありません。
20gの氷が溶けるために必要な熱は、次のように求められます。
20 × 334 ＝ 6,680J
この例では、氷が溶けるために6,680J、溶けた水が約20℃まで温まるために約1,670Jを受け取ります。合わせて約8,350Jです。初めから液体だった水20gが、約27.3℃まで温まる間に受け取る熱は約2,280Jになります。
ただし、この結果から「氷なら、どんな場合も決まった倍率で冷やせる」とはいえません。飲み物の量や最初の温度、加える氷の量が変われば、最後の温度も変わります。
氷が見えていれば、飲み物は必ず0℃？
先ほどの「氷と水が約0℃でつり合う」という説明を読むと、氷入りの飲み物はいつでも0℃だと思うかもしれません。でも、条件を確かめる必要があります。
- 氷を入れた直後は、氷のすぐ近くと離れた場所で温度が違うことがある。
- 砂糖や塩などが溶けた飲み物は、純粋な水と同じ温度で凍ったり溶けたりするとは限らない。
約0℃というのは、通常の大気圧のもとで、純粋な水と氷が十分に熱をやり取りしてつり合っている場合の話です。氷が見えるだけで、飲み物のどこも必ず0℃だとはいえません。
先ほどの例で、加える0℃の氷の量を十分に増やすと、氷が溶け残り、全体が約0℃で落ち着きます。その状態へ0℃の氷をさらに足しても、水温がどこまでも下がるわけではありません。
小さな氷なら、冷やせる量も増える？
大きな氷一個を細かく分けると、飲み物に触れる面を広くできます。この、物の表面の広さが「表面積」です。ほかの条件が同じなら、細かい氷のほうが一般に熱を速く受け取りやすくなります。
では、氷を細かく分けるほど、受け取れる熱の合計も増えるのでしょうか。
氷の合計の質量、最初の温度、最後の状態と温度をそろえれば、受け取る熱の総量は同じです。20gの氷を二つに分けても十個に分けても、20gであることは変わらず、全部溶けるために必要な熱も変わりません。
「どれくらいの熱を受け取るか」と「どれくらい速く熱を受け取るか」は別の話です。実際の冷える速さには、混ぜ方や氷の浮き方も関わるので、氷の大きさだけでは決まりません。
麦茶などへ直接入れた氷は、溶けた分だけ水として加わり、飲み物を薄めます。20gの氷がすべて溶ければ、増える水は20gです。細かく分けても、この量は変わりません。
水筒の氷が長持ちするのはなぜ？
実際の飲み物には、暖かい空気や容器からも熱が入ります。氷が受け取る熱は、飲み物から来る分だけではありません。
真空断熱の水筒は、周りから中へ入る熱を少なくする工夫があるため、氷が溶けにくくなります。氷が熱を受け取って飲み物を冷やす働きと、水筒が外から熱を入りにくくする働きは、役割が違うのです。
水筒も熱の移動を完全には止められません。暖かい場所で熱が入り続ければ、氷は次第に溶け、なくなったあとは水温が上がっていきます。詳しくは、魔法瓶はなぜ保温も保冷もできる？水筒の仕組みで紹介しています。
普通のコップでは、中の氷が小さくなる一方で、外側に水滴がつくこともあります。中では氷が液体に変わり、外では空気中の水蒸気が液体に変わっています。外の水滴は、冷たいコップに水滴がつく理由で詳しく説明しています。
計算でも確かめたい人へ
ここからは、方程式でも確かめたい人向けの説明です。先ほどと同じ条件で、最後の温度をT℃として計算します。式の中の「≒」は、「ほぼ等しい」という意味です。
水1gを1℃温めるのに必要な熱は、先ほど使った約4.18Jです。このように、物質1gの温度を1℃上げるのに必要な熱量を表す値を「比熱（ひねつ）」といいます。ここでは、水の比熱を約4.18J／（g・℃）として、温度が変わっても一定とみなします。
水が温まるときに受け取る熱量は、「水の質量（g）×4.18×上がる温度（℃）」で求められます。冷えるときに出す熱量も、上がる温度を下がる温度に置き換えて計算できます。
0℃の水20gを加える場合
もとの水200gは、30℃からT℃まで冷えます。下がる温度は「30−T」℃です。一方、加えた水20gは、0℃からT℃まで温まります。
外や容器との熱のやり取りを無視するので、「もとの水が出す熱量」と「加えた水が受け取る熱量」を等しくします。
200 × 4.18 × (30 − T) ＝ 20 × 4.18 × T
両辺を4.18で割ると、
200 × (30 − T) ＝ 20T
かっこを外して整理すると、
6,000 ＝ 220T
したがって、T ＝ 6,000 ÷ 220 ≒ 27.3℃です。
0℃の氷20gを加える場合
まず、氷がすべて溶けるかを確かめます。もとの水200gが30℃から0℃まで冷える間に出せる熱は、200 × 4.18 × 30 ＝ 25,080J。氷を全部溶かすための6,680Jより多いので、この例では、氷がすべて溶けるとして計算できます。
氷の場合は、溶けるための6,680Jを受け取る分が加わります。
200 × 4.18 × (30 − T) ＝ 6,680 ＋ 20 × 4.18 × T
小数の多い計算を避けるため、両辺を4.18で割ります。このとき、6,680 ÷ 4.18 ≒ 1,600と丸めると、
200 × (30 − T) ≒ 1,600 ＋ 20T
かっこを外すと、
6,000 − 200T ≒ 1,600 ＋ 20T
数字とTの項を整理すると、
4,400 ≒ 220T
したがって、T ≒ 4,400 ÷ 220 ＝ 20℃です。
ここでは、計算しやすくするために途中の数字を丸めています。元の式を途中で丸めずに解いても、結果は小数第1位までで約20.0℃になります。
まとめ：温度が上がらなくても、熱は受け取っている
同じ0℃の氷と水でも、飲み物の冷やし方には違いがあります。水は温まるときに熱を受け取りますが、氷はそれに加えて、水に変わるための融解熱も受け取ります。
温度計の数字が変わらなくても、氷が溶けていれば、状態を変えるために熱を受け取っています。温度の変化だけでなく、氷の量の変化も、熱のやり取りを知る手がかりになるのです。
次に飲み物の氷が小さくなっているのを見たら、「どこから熱を受け取ったのだろう」と考えてみてください。いつものコップの中で起こる変化が、少し違って見えてくるはずです。
参考資料
学校図書『中学校理科教科書Web版』1年 p.88「状態変化と温度」（融解と温度の関係）https://r7-kagaku.gakuto-plus.jp/1-2/3-1/1p088/
学校図書『中学校理科教科書Web版』2年 p.148「電熱線の熱」（熱量、Jと約4.2Jの説明）https://r7-kagaku.gakuto-plus.jp/2-3/1-3/2p148/
OpenStax『University Physics Volume 2』1.4 Heat Transfer, Specific Heat, and Calorimetry（熱と温度、熱平衡、比熱、熱量の計算）https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-4-heat-transfer-specific-heat-and-calorimetry
OpenStax『University Physics Volume 2』1.5 Phase Changes（融解熱、状態変化と温度、氷を使う熱量計算）https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-5-phase-changes
OpenStax『University Physics Volume 2』1.6 Mechanisms of Heat Transfer（熱が移る速さ、表面積、断熱）https://openstax.org/books/university-physics-volume-2/pages/1-6-mechanisms-of-heat-transfer
国際水・蒸気性質協会（IAPWS）「FAQs About Water and Steam」（水分子と氷・水の構造）https://iapws.org/faqs/faq1
前川製作所「氷の性質および産業における低温環境の利用技術に関して」（氷の融解熱、比熱、水溶液との違い）https://rdc.mayekawa.co.jp/column/02-2.shtml
岡山大学「氷の融解が始まる“きっかけ”を分子レベルで解明することに成功」（氷と液体の水、水分子の結びつきについての基礎説明）https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id48.html
資料確認：2026年11月6日
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