真空と気化熱

とある博物館での実験で、常温の水の入ったグラスを真空装置の中にいれ真空にしていくとやがて、水が沸騰し始め、なんと、凍ってしまいました。

常温の水が沸騰するのはなんとなくわかりますが、凍ってしまうのが理解できません。気化熱のせいだという簡単な説明しかありませんでした。科学に疎い私にはさっぱりわかりません。そこで質問です。

１　どうして、凍るほどこんなに激しく気化するんですか。つまり、真空になってくると、気化しやすいということですか。
２　あるサイトで、「砂漠地帯では素焼きの壺に水を入れ、放置すると、壺の外側にしみ出てきた水が蒸発するとき気化熱をうばい、中の水が凍るということもある。ただし、これは湿度の低い砂漠での話で、日本のような湿度の高いところでは無理である。」とあり湿度の問題なのですか。
３　キッチンの１００度で沸騰しているお湯は、火を止めてもなぜ凍らないのですか。
４　気化ってどうゆうときおこるんですか。

No.3 ベストアンサー 回答者： ticky 回答日時： 2003/04/20 01:02

こんばんは。

簡単に説明します。

「気化」というのは、液体が気体になることです。

水が液体のとき、水の分子は、ぐるぐると、激しくうごめいていますが、
水が気体になると、今度は激しく飛び回るようになります。

水が液体のときと、気体のときでは、水の分子の持つエネルギーが違い、気体のときの方が大きいです。

そのため、水が液体から気体になるときは、水の分子はどこかからエネルギーを吸収しています。

このときに吸収するエネルギー（熱）が気化熱です。

「キッチンの１００度で沸騰しているお湯は、火を止めてもなぜ凍らない」のかといいますと、
１．１００度で沸騰しているとき、水は激しく沸騰（気化）していますが、そのとき、やかんは、ガスコンロにかけられていて、常に熱を加えられ続けています。この分の熱を、吸収するために、沸騰しています。
２．ガスコンロから離しても、沸騰していることがあります。これは、やかんの底などが、１００度以上になっているからです。普通は、水は、液体では１００度以上にならないので、その分の熱を吸収するために沸騰しています。
……以上のようになるからです。
また、やかんの火を止めておいても、元々十分熱かったので、凍ってしまうことはまずないと思います。

「どうして、凍るほどこんなに激しく気化する」のか、「湿度の問題」なのかどうかといいますと、
たとえば、液体の水が気化（蒸発）していかないときを考えてみます。具体的には、コップの中の水が、放っておいても減っていかない場合、洗濯物が乾かない場合などを考えてください。
このようなとき、実は、コップの中の水は、全く蒸発していないわけではないんです。少しずつ蒸発しているのですが、それとおなじだけ、空気中の気体の水が、コップの中に入ってきて、結果的に、量が変わらないのです。
このようなことが起こるときは、空気中に水がたくさんあるとき（湿度が大変高いとき）です。
空気中に水が少ない（湿度が低い）と、コップの中に入る気体の水の量が少ないので、どんどんコップの中の水はなくなっていきます。
そのうえ、空気が少ないと、空気から圧力を受けないので、水は気体になりやすくなります。気体になると、体積が大幅に増えますから、空気からどれだけ圧力を受けているかによって、気化のしやすさが変わるのです。

凍ってしまったりするのは、液体から気体になるときに、必要なだけのエネルギー（熱）を吸収していくからです。

結構いい加減かも知れません。
何か他にあれば補足をどうぞ。

No.2 回答者： kuma56 回答日時： 2003/04/20 00:59

水は一般的に、常温・大気圧下では液体ですが、熱エネルギーを加える(加熱する)と、分子活動が盛んになっていって、１００度を越えると押さえつけている大気圧をはねのけて、気化して水蒸気に変化します。

しかし押さえつけている大気圧が弱くなると、１００度に達しなくても沸騰します。
現に、富士山頂などは空気が薄い(=気圧が弱い)ので、１００度に達しなくても沸騰するので、普通のお釜ではご飯がうまく炊けません。
さらに、大気圧が弱く成っていくと、もっと低い温度で沸騰します。
更に真空に近づけていけば、いずれ常温でも沸騰し始めて、さらに真空にしていくと激しさをまします。
廻りから熱を与えると気化する・・・・と言うことは気化するときには、廻りの熱を奪っていく現象が起きます。これが"気化熱"に成ります。
真空に近づけていき、常温で沸騰し始めると、ボコボコと泡立つ度に熱を奪っていくので、やがて(水の量にも依りますが)０度まで下がって、凍ってしまいます。
３　キッチンの１００度で・・・・・
どうして凍らないのか？それは１００度あるからです。
水が凍るのは、沸騰するからではなく０度に成るからであり加熱を止めても凍りません。
博物館の実験は、一般生活の"大気圧下である"という前提条件が異なっている(真空に近づける)ので、キッチンでそれを再現するのは無理です。
大気圧下では、加熱しないと沸騰しないので、その火を止めれば加熱も止まり、沸騰もしなくなり、気化もしないし、常温では凍りもしません。

No.1 回答者： First_Noel 回答日時： 2003/04/20 00:31

液体の表面からは常に気化（蒸発）しています．

（液体内部から気化することを沸騰と言います．）
通常，この液体表面からの気化は，大気圧によって押さえられていますが，
真空になるとそれがなくなるので，液体表面から激しく蒸発するようになります．
これは気圧低下に伴う「沸点降下」と呼ばれ，例えば富士山山頂では
８８℃で水は沸騰します．
そして液体が気体になるとき，周囲から熱を奪います．
激しく気化すると，周囲から大量の熱が奪われます．
くだんの水も，それで凍るほどに熱が奪われ，結果，凍ってしまったと考えられます．
気化すると熱を奪う現象は，身近なところでは，カセットコンロのボンベやスプレーが，
使っていると次第に冷たくなって行くところで見られます．
これも内部のガス（スプレーでは押出用のガス）がボンベ内では液体で，
それがノズルから出ることで気化するときに熱を奪います．
（このノズルからの噴射は「絞り現象」とも言い，熱力学的にもう少し難しいことが原因ですが．）