熱力学

【熱力学】水は何度で沸騰する?100℃で沸騰しない水もある?

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水は何度で沸騰する?

この質問をされるとあなたはなんと答えるでしょうか?

小学生の時に習ったことを思い出すと大気圧下で水は100℃で沸騰します。

しかし、実際には水の圧力によって沸騰する温度は変わります。圧力を低下させれば100℃以下でも沸騰します。逆に、圧力を上げてやれば100℃以上でも沸騰しません。

そもそも沸騰とはどういう現象のことを言うのでしょうか?今回は水の沸騰する温度について考えてみたいと思います。

1. 水の沸騰とは?

沸騰とは、水が気体の水蒸気に変化することをいいます。そして沸騰が始まる温度のことを沸点といいます。これをもう少し掘り下げてみましょう。

そもそも水はどうして液体として存在できるのでしょうか?

色々な視点がありますが、まず水にはそれぞれ温度によって気体になろうとする圧力というものがあります。これを飽和圧力といいますが、飽和圧力と水の周りの圧力との関係性によって沸騰するかどうかが変わります。

例えば60℃の水の飽和圧力は約20kPaです。一方、大気圧は約101kPaです。水が気体になろうとする圧力が約20kPaで、気体にならないように抑え込む圧力が約101kPaということになります。

この時、水を抑え込む力の方が大きいので60℃、大気圧では水は沸騰しません。

つまり、100℃にならないと水が沸騰しないわけではなく大気圧が水にかかっているため沸騰が始まらないわけです。

沸騰はしませんが、気化しないわけではありません。空気が乾燥していれば少しずつ気化はしていきます。沸騰は熱エネルギーを与えてもそれ以上温度が上がらない点になります。

これが100℃になると、水の飽和圧力が大気圧とつり合い沸騰し始めます。水が沸騰している間、温度が変わらないのは相変化して蒸気になることにすべてのエネルギーが使われるからです。

つまり、水の沸点は周囲の圧力によって決まります。

例えば、山頂でお湯を沸かすと100℃以下でも沸騰します。これは水の気化を抑える周囲の圧力が大気圧よりも低くなることが理由です。

逆に地下深く掘って、地中で水を加熱すると100℃より高い温度で沸騰が始まります。これは周囲の圧力が大気圧よりも高くなることが理由です。

火山の水蒸気噴火なんて聞いたことないでしょうか?

これは、地下水が地中に加圧された状態でマグマに加熱され大気に出てくる際に一気に気化することで爆発するというイメージです。

水の沸点は水の圧力によって変わります。水の圧力が高いほど沸点は高くなり、水の圧力が低いほど沸点は低くなります。

圧力と沸点(飽和温度)の関係は蒸気表を見れば確認することが出来ます。

2. まとめ

  • 水の沸点は圧力によって変わる
  • 圧が高いほど沸点が高くなり、圧が低いほど沸点は低くなる
  • 圧力と沸点の関係は蒸気表で確認できる

水は何度で沸騰するかと聞かれれば、100℃と答えてしまいそうですが実はそうではありません。

圧力によって沸点が変わるということをよく理解しておきましょう。

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エコおじい

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