中学受験で子どもと普通に幸せになる方法

2018年麻布中学の問題です。

以下の文章は、熱や温度などについてのＡ君と先生の会話です。

Ａ君：先生、テレビのコマーシャルで、空気の熱を利用してお湯をつくると言っていましたがどういうことかよくわかりませんでした。教えてください。
先生：まず、熱を加えて気体を温めたり、熱をうばって冷やしたりすると。気体の体積が変化することは知っているよね。
Ａ君：はい。温めて熱が加わると、気体の温度が上がって体積は増え、冷やして熱がうばわれると、気体の温度が下がって体積は減ります。
先生：そうだね。でも、実は気体を温めたり冷やしたりしないで、つまり、熱を加えたりうばったりしなくても、気体の体積を変えると温度が変わるんだ。
Ａ君：熱を加えたりうぱったりしないで体積を変えるってどうするんですか。
先生：例えば、気体が入った容器を熱が伝わりにくい発泡スチロールでおおうと、熱が外ににげたり外から入ってこなくなったりするんだ。これを、熱を加えたりうばったりしない、つまり、熱の出入りがないというんだ。この状態で体積を変えるということなんだ。
Ａ君：なるほど。ところで、熱の出入りをなくす方法は、他にはないんですか。
先生：熱の出入りができないくらいすばやく体積を変化させても、熱の出入りがないといえるよ。どういうときに熱の出入りがないかわかったかな。
Ａ君：はい。ところで、すばやく体積が変化するのはどんなときですか。
先生；空気でっぽうは知っているよね。中の空気を押し縮めた後、玉が飛び出すと、空気が急に元の体積に戻るよ。このときにも、空気の温度は変わっているんだよ。
Ａ君：なるほど。すばやく体積を変化させて熱の出入りをなくしても、温度が変わるんですね。手に「はあ～」とゆっくり息をふきかけたときと、口をすぼめて「ふう～」と勢いよく息をふき出すときとでは温かさが違いますが。これも関係していますか。
先生：正確にはこのこと以外の理由もふくまれているけれど、およそのイメージはあっているよ。両方とも口や肺の中の空気は同じように温まっているけれど、「はあ～」とふくときには、体積も温度もあまり変わらずに出てくる場合だよね。しかし、「ふう～」とふき出すときは、口や肺の中で押し縮めてからふき出すので、口の外に出ると急に体積が増えて温度が下がるということなんだ。このように、熱の出入りがなく体積を増やすと温度が下がり、逆に、熱の出入りがなく体積を減らすと温度が上がるんだ。

問１　次の文章の（　ａ　）、（　ｂ　）にそれぞれ適当な語句をいれなさい。
先をふさいだ注射器の中で押し縮められていた空気を、勢いよくデジタル温度計にふきつける実験をしました。すると、空気の体積が急に（　ａ　）くなるため、温度が（　ｂ　）がりました。

先生：ところで、Ａ君の家にもエアコンがあるよ圦ちゃんと見たことがあるかな。
Ａ君：はい。冷風や温風が出てくる室内機と室外機がパイプでつながっています。室外機には扇風機みたいなものが入っています。そういえば、①室外機に直射日光があたったり、②せまい場所に室外機を置いたりすると冷房が効きにくいと聞いたことがあります。
先生：そうだね。エアコンの仕組みは図１のようになっていて、パイプの中には、今では代替フロンガス（＊この後はガスとする）が流れているんだ。冷房のときには冷たいガスが室内機を流れ、室内の暖かい空気が室内機のパイプに触れて、室内の空気が冷やされて冷風が出てくるんだ。そのためには、図１の中のコンプレッサーという装置で熱の出入りができないくらいすばやくガスを十分に圧縮し、膨張弁で熱の出入りができないくらいすばやくガスを十分に膨張させることが特に重要なんだ。この２つは、ガスの流れの向きによらず、ガスを圧縮したり膨張させたりするんだ。また、パイプに風があたるところには、図２のような工夫もしているよ。

問２　下線部①と下線部②について、冷房が効きにくくなる理由をそれぞれ違いがわかるように説明しなさい。

問３　室外気温が37℃、室内温度が35でのとき、図１のエアコンで冷房しています。室内機を通るガスの温度について、次のア～ウを、温度が高い順に答えなさい。
ア、膨張弁を通る直前
イ。膨張弁を通った直後
ウ。室内の空気がパイプにあたった場所のすぐ後

問４　問３と同様に、図１のエアコンで冷房しています。室外機を通るガスの温度について、次のエ～カを、温度が高い順に答えなさい。
エ。コンプレッサーを通る蹂前
オ。コンプレッサーを通った直後
カ。室外の空気がパイプにあたった場所のすぐ後

問５　室外気温が37°C、室内温度が35（Ｃのときに冷房しようとしたところ、問３と問４の選択肢のア～力の温度は、5℃、10°Ｃ、50℃、90°Cのいずれかでした。それぞれ何℃か答えなさい。ただし、同じ温度を何度答えてもかまいません。

先生：暖房の場合は、図１と逆方向にガスが流れているんだ。膨張弁を通過すると、ガスの温度は通過前に比べて（　ａ　）。次に、室外の空気がパイプにあてられると、ガスの温度は（　ｂ　）。その次にコンプレッサーを通過すると、ガスの温度は通過前に比べて（　ｃ　）。そして、室内の空気がパイプにあてられると、ガスの温度は（　ｄ　）。
こうして室内機を通った空気が温められて温風が出てくるんだ。

問６　暖房について先生が説明した上の文章の（　ａ　）～（　ｄ　）にそれぞれ「上がる」か「下がる」のどちらかをいれなさい。

Ａ君：よくわかりました。エアコンの暖房と同じ仕組みで水を温めてお湯にするのですね。
先生：そうだね。最初の「空気の熱を利用してお湯をわかす」という質問について基本を少しだけ説明したけれど、本当はもっと複雑なんだ。例えば、③ガスの体積を変化させるために使う電気を少しにして電気代を節約し、効率良く熱湯を得るためには、コンプレッサーや膨張弁の性能が大切なんだ。どんなガスを利用するかも大切で、二酸化炭素が利用されることもあるんだ。
Ａ君：何となくわかった気がしていますが、まだまだ勉強が必要ということですね。
先生：そうだね。これからも色々なことに疑問をもって、考えていこうね。

問７　パイプの中のガスの性質として正しいものを、次のア～エからすべて選び、記号で答えなさい。
ア。水素のように燃える性質をもっていない。
イ。環境を悪くしない。
ウ。酸素のようにものを燃やす助けをする性質をもっていない。
エ。液体から固体になりやすい。

問８　下線部③について、次の文章の（　ａ　）～（　ｃ　）にそれぞれ適当な語句をいれなさい。

電気代を節約して効率よくお湯を得るためには、膨張弁では、体積の変化ができるだけ（　ａ　）なるようにします。また、コンプレッサーでガスを圧縮するときには、体積の変化をできるだけ（　ｂ　）すればよいことになります。そして、パイプに空
気があたる部分の表面積は、（　ｃ　）なるようにすればよいのです。

【解説と解答】
問ｌ　注射器から出ると体積は増えますから、温度は下がります。
（答え）ａ　大き　　ｂ　下
問２　室外機の温度が上がると、冷房は効きにくくなります。
（答え）
　①直射日光　室外機の温度が上がり，ガスの温度も高くなるから。
　②せまい場所　室外機から出される熱が出にくくなリ，熱が十分に拡散されなくなるから。
問３　高い順ですから、膨張弁の前が一番高く、次がウ、一番冷えているのはイです。
（答え）ア→ウ→イ
問４　圧縮された後が一番高く、次が圧縮される前、室外機を通って熱交換された後、一番低いのはエです。
（答え）オ→力→エ
問5　問４の順番にしますが、90℃になるのはオです。
（答え）ア　50　　イ　５　　ウ　10　　エ　10　　オ　90　　力　50
問６　ガスの流れが逆になるので、aは下がる、bが上がる cは上がる、dは下がるです。
（答え）ａ　下がる　　ｂ　上がる　　ｃ　上がる　　ｄ　下がる
問７　エだけが違います。
（答え）ア，イ，ウ
問８　体積変化が大きくなるようにすれば電気代は節約できます。
（答え）ａ　大きく　　ｂ　小さく　　ｃ　大きく