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、液体の表面だけでなく内部からも水蒸気の泡が発生して、激しく気化する現象のことをいいます。水の表面からゆっくり気化する「蒸発」とは区別されます。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. 圧力と沸点の関係（蒸気表）
圧力ごとの沸点（飽和温度）を蒸気表から抜き出すと、次のようになります。圧力はすべて絶対圧です。
| 圧力（絶対圧） | 沸点（飽和温度） | 身近な例 |
|---|---|---|
| 5kPa | 約32.9℃ | 発電所の復水器の中 |
| 20kPa | 約60.1℃ | ― |
| 50kPa | 約81.3℃ | ― |
| 70kPa | 約90.0℃ | 標高約3,000mの山の気圧に近い |
| 101.325kPa | 約100℃（99.97℃） | 標準大気圧（1気圧） |
| 200kPa | 約120.2℃ | ゲージ圧で約0.1MPaの蒸気 |
| 500kPa | 約151.8℃ | ゲージ圧で約0.4MPaの蒸気 |
| 1,000kPa | 約179.9℃ | ゲージ圧で約0.9MPaの蒸気 |
工場の蒸気配管で「0.4MPaの蒸気」というときは、ふつうゲージ圧（大気圧との差）を指します。蒸気表は絶対圧で書かれていることが多いので、大気圧（約0.1MPa）を足してから表を引きましょう。
沸騰するかどうかは「水の飽和圧力」と「周りの圧力」の比べ合い
60℃の水（大気圧）
水の飽和圧力：約20kPa周りの圧力（大気圧）：約101kPa飽和圧力 ＜ 周りの圧力 → 沸騰しない
100℃の水（大気圧）
水の飽和圧力：約101kPa周りの圧力（大気圧）：約101kPa飽和圧力 ＝ 周りの圧力 → 沸騰する
関連記事：復水器とは？真空になる理由と役割・構造、種類（水冷式・空冷式）と真空ポンプ
出典：Engineering ToolBox 飽和蒸気表 https://www.engineeringtoolbox.com/saturated-steam-properties-d_457.html （1気圧の沸点 99.97℃ は国際温度目盛 ITS-90 による値）
3. 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。
