質問

こんばんは,よろしくお願いします。
水の状態変化,融点以下なら氷(固体),融点を超えると水(液体),沸点を超えると水蒸気(気体)と教えられた気がするのですが,よく考えてみれば,常温常圧の空気中に,沸点を超えていないにもかかわらず,水蒸気が存在していますよね。飽和水蒸気量以内であれば,水蒸気が存在しているとも習いました。

ここで,ハタと疑問に思いました。常温常圧でなぜ気体の状態の水蒸気が存在できるのか?融点以下でも,そういえば昇華が起きて気体の水蒸気になるとも教えられました。なぜでしょうか?

私なりに考えてみました。このような考え方でよろしいのかどうか,教えてください。

【私の見解】
融点とは,氷でいることが出来なくなる温度,沸点とは,液体の水でいることが出来なくなる温度。と理解するのが正しい。
だから,融点以上では固定でいることが出来ないが,融点以下で,過冷却の水であったり,水蒸気がが存在することはあり得る。また,沸点以上では固体や液体で存在することが出来ない。だから,沸点に達すると耐えきれないように,液体内部からであっても蒸発がどんどん起こり,気化していく。しかし,沸点以下であっても気体の水蒸気は存在できる。このように理解するのが正しい。

いかがでしょうか。素人の意見に専門家や詳しい方の御意見,御解説をお願いします。

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回答 (10件)

#6の者です。
平衡状態という言葉をご存知ですか?
水面からの蒸発と、空気中から水への凝縮は同時に起きていて、
バランスしています。
水の分子運動のばらつきが、分子間力を超える確率は、温度が
高くなるほど大きくなるので、温度が上がるほど、空気中に含まれ
得る水蒸気量は多くなります。

また、「分子間力」は、重力などと違い、ごく近くに接近した時に
だけ働き、離れると急激にほぼ0になるという特殊な性質がある
ので、いったん蒸発すると、なかなか液体の水には戻りません。
その「ごく近くに接近」を可能にするのが、大きな物体、それも
水分子の運動量を吸収するような冷えた物体です。
そのような表面では水分子がくっつき合う事ができます。
それを結露といいます。
通常、水蒸気が、結露点まで温度が下がっても過飽和状態となっ
てなかなか水滴や霧を生じないところ、雨粒にはたいがい核となる
ホコリの粒がある、というのもそれによります。

>私の子どもの中学校理科の教科書の沸点融点の説明のところに
>次のような記述があります。
>(東京書籍「新しい科学」1分野上)
>「物質は,融点,沸点を境として,固体←→液体←→気体と状態変化する。
>・・・その物質の融点と沸点の間なので,液体の状態にあるのである。」
私が子供のころ(昭和40年代終わりころ)に小学校の理科で、
「水を加熱していくと表面から蒸発し、さらに加熱すると、やがて水の内部からも蒸発が始まる。これが沸騰である。」
と習った記憶があります。「蒸発と沸騰は区別するように」と念を押されましたから、間違いないと思います。

「湿度」というのが、常温での空気中の水蒸気量ですから、沸点以下でも気化はありますよね。

0℃、100℃というのは、1気圧の大気中における状態変化が起きるの温度のことですよね
融点、沸点は圧力によって変化する、ということは
皆さんが回答されているようなことでよいと思いますが

水が、氷や水蒸気になるための条件を沸点、融点だけで考えるとわからないのは当たり前です
状態変化温度をいうのであれば露点などもあわせて考えないといけません

0℃の氷と0℃の水の違いは?100℃の水と100℃の水蒸気の違いは何でしょう?
それは物質内部に持っている凝固熱や気化熱というエネルギー量の違いと
物質の状態、固体、液体、気体の違いです。

気体を液体に戻すにはどうしたらいいか
水蒸気ならば凝縮熱(気化熱と同様)を奪えば液体の水になります。

水蒸気は気体だと言う事をしっかりと考えなくてはいけません
一度、気化熱が加わり気体になったものを液体の戻すためには
凝縮熱を奪わなければいけません。

大気(空気)は太陽熱などで温められて温度の変化をしますよね
空気というのは色々な気体が混ざっているもので
もちろん水の気体も存在しています。

単純に気体の温度が変化しているだけですから
水(水蒸気)であろうと、その他の気体であろうと変わりはありません


常温の空気中に存在している水蒸気(気体)を常温のまま
水(液体に戻すことは可能です)
自然現象としては、今の時期(冬)に窓によくみられる
結露と言うものです。

色々な気体が混ざっている地球大気
このなかに水蒸気が存在できる量は温度で変わります
温度が上がれば含められる量は増え、温度が下がれば水蒸気量も減ります
これは相対湿度と呼ばれるものですが
ある温度において、水蒸気ある程度含んでいる大気を
冷やすなどして温度を下げれば、その温度になったときに含むことが出来る量を
超えた分の水蒸気は液体の水に戻ります。
条件はちがいますが、大気中で水蒸気が雨になるのも
同じように考えていけば雨になる理屈はわかるものです。

繰り返しになりますが、水蒸気は気体です。
気体も温度変化をします。
物質の状態を変化させるには(この場合は液体と気体ですが)
沸点ではなく、気化熱、凝縮熱を考えなくてはいけません。

リクエストにお応えして。

>sanoriさんのお話によれば,この記述は厳密には,正しくないということになりそうですね。(常温では,液相である確率も,固相である確率も,気相である確率もゼロではないのですから・・・。)

これを他のことに比喩すれば、ニュートン力学は相対性理論より不正確、相対性理論は量子力学より不正確、ということと似ています。
「まったく間違い」ではなく、「おおむね正しい」と解釈するのが穏当なところではないでしょうか。

>しかし,中学校1年生では,植物の「蒸散」などもすでに習っているので,常温で気体の水(水蒸気)が存在することを教えられている子どもたちが,沸点,融点のみで,状態変化を起こすものでないことは容易に気付くと思います。このような記述(説明)では,納得しない子どももいることは無理のないことではないでしょうか。

水蒸気のことに関しては、まったくおっしゃるとおりです。
「厳密」どころか‘湿度’という概念でマクロでとらえられてしまう現象ですからね。

融点は融点、沸点は沸点です。
ただ、「10度の水」といっても、全ての水分子が等しく
『10度の分子運動』をしている訳ではなく、互いにぶつ
かり、運動量(熱)をやりとりをする中で、分子運動量の
ばらつきができ、たまたまその運動量が分子間引力を
超えると、互いに引きつけている力を振り切って、飛んで
いってしまいます。
その1個の分子だけが沸点を超えた訳です。

1個だけ大きな運動量を持って逃げたため、水の温度は
最初の温度よりごくわずか下がる訳で、それをくり返せば、
極端な話、凍ってしまう事もあるところ、その分外気温
から熱を補給されて、また最初の状態になるので、同じ
確率で「100度の水分子」が生じます。
それにより、決して沸騰しているとは認識されないコップ
の水も、最終的には全て蒸発(=沸騰)してしまうのです。

この回答へのお礼

psytexさん,ありがとうございました。メカニズムをモデル的にお示しいただけて,私のような素人にも分かりやすかったです。

なるほど,水分子の運動にばらつきがあり,分子間力を振り切った分子がミクロで気化するということなのですね。その気化に使われた熱量の補充は,熱容量の大きい空気中から随時補充されて液体の水には温度変化が生じずに,ミクロで気化が起き続けるという理解でよろしいのでしょうか?

この理解に立てば,やはり水の沸点は1気圧下では100℃であり,水が100℃になったときには水分子の運動は,分子間力を振り切るほどになり,水の内部からであっても積極的に気化が起きる。この理解に立てば,中学校の教科書の記述は正しいと私にも理解できます。
また,同じ教科書に記載されていた「蒸散」など,常温で気化が起きる理由については,ミクロでは水分子の運動は,個々の分子においてゆらぎをもっているので,分子間力を越えるほどの運動量をもっている分子も存在する。だから,運動量の大きい水分子については,ミクロで沸点を超えて気化が起きる。このようなことが,常温で起こり続けているので,空気中に常温の水蒸気が存在し続けているのだと考えてよろしいのでしょうか。

かってに私なりに理解しましたが,なお,確認をさせていただきたいです。お答えをいただければ幸いです。
上記にも書いた通り,沸点はあくまでも100℃であるので,常温で液体の状態の水を飛び出した気体の水分子は,空気中ですぐに液体の水に戻ってしまうことになるのではないでしょうか?常温であれば沸点以下なのですから当然そうなると思われるのですが・・・。そのあたりのこともお聞かせいただけるとありがたいです。(そうでないと,沸点以下でなぜ水蒸気が存在し続けるのかという,そもそもの私の疑問に戻ってしまいます。)
また,融点0℃以下の氷の状態のときも,固体の水分子が運動量のゆらぎをもっていて,分子間力を振り切って昇華するとの理解でよろしいのでしょうか?
お答えいただけるとありがたいです。

お答えいただき,このような理解でよろしいのであれば,私の質問は,まさに「氷解」します。

他の方の回答にも述べておられましたが、水分子は概略以下のような動きを繰り返しているようです。

○水の分子同士が近づくと分子間力が働き、お互いに引付けあい集まろうとする。
○温度が低い場合、その分子間力で固体状態となっている。
○外から熱:熱エネルギーを加えると各分子は動き始め液体となる。
○更に熱エネルギーを加えると分子間力よりも運動により飛び出そうとする力の方が強くなり、気体となる。

○運動する分子の速度は早いもの、遅いものなどの分布==ゆらぎを持っている。
○沸点よりも低い気圧の場合、一部の分子は十分な運動エネルギーを得て分子間力(その一つとして表面張力がある)を振り切って空気中に飛び出す。
○空気中の分子はお互いに衝突したりして動き回っている。その時速度の低い分子同士が衝突して分子間力の方が強いと分子同士が集まって重くなり、水面に落ちて行き水の状態に戻る。
○ある一定温度の水と空気を断熱状態の入れ物に入れておくと、この空気中に飛び出す分子と、水の状態に戻る分子の量が等しくなり、一見蒸発や凝縮が無く平衡状態を保っているように見える。

○沸点以下の水では、一部の水分子は分子間力を振り切るだけの運動エネルギーを得るが、次に衝突した時分子間力の方が大きい確率が大となり、気体の泡は成長する事が出来ず、沸騰現象は現れない。

○融解熱、蒸発熱は固体状態から液体状態で自由に動き回れる状態にするために必要な熱量、液体状態から分子間力を振り切って液体から飛び出すために要する熱量として説明出来るようです。


例えば以下のようにサーチして確認して下さい。

水分子 分子間力 運動エネルギー 解説
==>
http://subsite.icu.ac.jp/people/yoshino/NSIII01w …
水について語る


蒸気表
==>
http://fnorio.com/0103heat_engine%28steam_cycle% …
http://www.tlv.com/ja/steam_table/steam_table.php
http://www.s-yamaga.jp/nanimono/taikitoumi/kukic …
空気中の水蒸気

No.2の回答者です。

>>>では,融点と沸点の中間ぐらいの温度で,液相が固相に変化するという確率はあるのでしょうか?無いのではないでしょうか?(あったとしても,固相から液相になる確率の方が絶対的に大きいとか・・・)

あります。
非常に小さい確率ですが、あります。
液相と固層は、さほど体積が違いません。
液体の中での粒子どうしが、たまたま出合って局所的に結晶と同じ配列になったとき、その部分は非常に小さい固層の粒になったという解釈ができます。

水のような特異な物質を除けば、高い圧力をかけるほど固層の粒ができる確率が高まります。
そして、ある圧力に達すると、非常に高い確率で固層の粒ができ、全体として「固体」に見えます。

>>>無いのであれば,融点は固体でいることが出来なくなる温度という捉えで良いのでしょうか?

マクロでは、そう見えます。
しかし、上述したとおり、それは違います。
ちなみに、「融点は」ではなく「融点以上では」ですね。(融点ではマクロでも固層と液相が共存して見えます)

この回答へのお礼

sanoriさん,明快で,的確なお答えありがとうございます。

私の子どもの中学校理科の教科書の沸点融点の説明のところに次のような記述があります。
(東京書籍「新しい科学」1分野上)
「物質は,融点,沸点を境として,固体←→液体←→気体と状態変化する。身のまわりに見られる液体の物質は,わたしたちが生活している温度が,その物質の融点と沸点の間なので,液体の状態にあるのである。」

sanoriさんのお話によれば,この記述は厳密には,正しくないということになりそうですね。(常温では,液相である確率も,固相である確率も,気相である確率もゼロではないのですから・・・。)しかし,中学校1年生では,植物の「蒸散」などもすでに習っているので,常温で気体の水(水蒸気)が存在することを教えられている子どもたちが,沸点,融点のみで,状態変化を起こすものでないことは容易に気付くと思います。このような記述(説明)では,納得しない子どももいることは無理のないことではないでしょうか。

sanoriさん,いかがでしょうか?お忙しいところとは思いますが,お考えをお聞かせいただければ幸いです。よろしくお願いいたします。

NO.1 さんの解説にちょっと付け加えます。

蒸気圧というのは水の分子の活発さの度合いです、普通の状況、屋外とか室内では大気圧と同じと言っていいと思います。使用中の圧力釜とかボイラーの中では大気圧よりも桁違いに高くなります。
ご説明のとおり、常温のコップの水はわずかに大気圧よりも蒸気圧が高いので、表面からは徐々に蒸発していくということです。ただ、水の中では、それに水圧が加わって高くなっているので蒸発はしません(できません)。
これが、水の温度が高くなるに従って蒸気圧が高まり、水中からも容易に蒸発するようになります。これを沸騰といいます。

こんにちは。

物質には3つの相(気相、液相、固層)がありますが、ある温度において単一の相があるわけではありません。
「ゆらぎ」があるのです。
これは、粒子が確率論的に運動していることから来ています。

別の例を挙げてみましょう。
アイスクリームには「-18℃以下で保存してください」というような表示がされています。
0℃以下でも、氷は時たま融けます。
固層と液相との間のゆらぎがあるのです。
ですから、融けては固まり、また融けては固まり、ということを繰り返します。
すると、単なる氷に近い固い状態に近づいていきます。
ゆえに、ふわふわのアイスクリームは十分低い温度にしないと、簡単に固くなってしまいます。
温度を十分低くして液相になる確率を抑えることで、固くなるのを防ぐ必要があります。

もっと違う話をしましょう。
単結晶と言われる結晶でも、絶対に完全な結晶は存在しません。
ある程度の欠陥を持つことで全体のエントロピーを最小にして、エネルギー的に安定状態になっています。
これも、欠陥の場所は一定ではなく、ある時ある場所で欠陥が起こっています。
ゆらぎがあるのです。
(これは、固体物理の基礎知識です)

この回答へのお礼

sanoriさん,ありがとうございました。

揺らぎをもって,三相が存在しているのですか・・・。
十分に低い温度になればなるほど,液相になる確率を抑えることができるとの理解でよろしいのでしょうか?その場合でも,確率的に液相になることはあり得るということなのですね。
では,融点と沸点の中間ぐらいの温度で,液相が固相に変化するという確率はあるのでしょうか?無いのではないでしょうか?(あったとしても,固相から液相になる確率の方が絶対的に大きいとか・・・)

無いのであれば,融点は固体でいることが出来なくなる温度という捉えで良いのでしょうか?
ご見解をお示しいただければ幸いです。よろしくお願いします。

沸点の正しい定義は、液体から気体になる温度ではありません。
その液体の蒸気圧(液体が気体になろうとする圧力)が1気圧を超える温度です。
液体の蒸気圧は温度とともに急激に増加し、蒸気圧曲線と呼ばれます。
http://www2.yamamura.ac.jp/chemistry/chapter2/le …

コップに入れた水は常温でも少しずつ蒸発します。
これは常温でも水はわずかな蒸気圧(20℃で0.02気圧くらい)があり、
これは空気中の蒸気圧(空気中の水蒸気の割合)よりも大きいので、
H2O分子が液体から気体になっていきます。
しかし、水は常温では液体内部から泡が出来て気体になることはありません。
これは水面を空気が1気圧の力で押しているため、水はそれ以上の圧力がないと
泡が形成できずに押しつぶされてしまうからです。
水が内部から泡ができて気化するようになるためには蒸気圧が1気圧(760mmHg)
必要であり、その温度が100℃なのです。

この回答へのお礼

Saturn5さん,ありがとうございます。

「蒸気圧」という概念が理解できませんね。圧力なのであれば,水は(というか水分子は)何を押しているのでしょうか?水分子が飛び出そうとする力のようなものなのでしょうか?

>これは空気中の蒸気圧(空気中の水蒸気の割合)よりも大きいので

蒸気圧を「空気中の水蒸気の割合」と説明されているのでしょうか?でも単位は圧力なのですよね?単位無しだったり,%が単位なのでは無いですよね?
蒸気圧について,「何が何を押しているのか?(どんな圧力なのか?)」「どうやって測定するのか?」など補足していただけるとありがたいです。

いずれにしても,沸点以下でも,蒸発する理屈は分かりました。大気圧下(1気圧)で100℃以上の温度のときには,やはり,液体の水でいることは出来ないとの理解で良さそうですね?

沸点,融点の詳しい定義は大切だと思いますが,私はそのことを知りたいのではなく,なぜ,水蒸気と液体の水,水蒸気と氷が共存するのかを知りたいのです。
今回は,沸点のことをご説明いただきましたが,なぜ,水蒸気と液体の水,水蒸気と氷が共存するのかを解説していただけないでしょうか。よろしくお願いいたします。

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