水蒸気と気圧の関係について

Question

「空き缶に少し水を入れて加熱し、沸騰したらふたをしめて、そのまま放置する。すると、缶がつぶれる。これは、中の水が沸騰することによって水蒸気が発生し、中の気圧が小さくなったため、、」と問題の解説に書いてあったのですが、なぜ水蒸気が発生すると気圧が小さくなるのでしょうか？さっぱりわかりません。

puyo3155 · Accepted Answer

そうですね、

①　加熱して水蒸気が発生
②　発生した水蒸気におされて、空気が外へ
③　やがて、缶の中の気体はほとんど水蒸気
④　缶の蓋をする
⑤　冷やすと、水蒸気が水へ
⑥　缶の中の気体がなくなり、大気圧に押されて缶が潰れる

っていうことですね。

これ、実際、文化祭でドラム缶を用いてやったことあります。
ドラム缶下の方に水を入れて、焚き火の上に乗せて熱し、一定時間後蓋をして水をかける。
すると、大きなドラム缶が、一瞬にしてつぶれるとても面白い実験です。

tekcycle · Answer

> これは、中の水が沸騰することによって水蒸気が発生し、中の気圧が小さくなったため

解答にそう書いてあったなら、私だったら×をつけます。

まず水蒸気という水の気体は、たぶん100度でしょう。
100度の気体と25度くらいの気体より、体積が20～25％くらい大きいです。
100度から25度に戻ると、2割近く体積が減ります。
ペラペラのアルミ缶ならこれだけで凹むでしょう。
更に、水蒸気が100度から25度に戻るとき、液体に戻るかもしれません。
このとき体積は、1/1000くらいになります。

んで、やってみると良いんです。
40度くらいのお湯に、ペットボトルを浸けます。蓋は開けておいてください。
中にお湯を入れないように、中の空気を暖めます。
暖まったら、蓋を閉めて、お湯から出します。
室温にしばらく晒すと、ペットボトルはどうなるでしょう。

こっちは難しい。上手く行くかどうかは判りません。
ペットボトルに、少量の水を入れます。
蓋を開けたまま、電子レンジに入れ、中の水を沸騰させます。
沸騰させたら電子レンジから取り出して、すぐに蓋を閉めます。
室温に晒すと、ペットボトルはどうなるでしょう。
あまり上手く行かないかもしれません。

doc_somday · Answer

#１です、レス有り難うございます。少し理解不足です。
１)
>空気が少ない→気圧が小さくなる
間違いでは無いのですが、空気はもうほとんどありません、冷えると水はほとんど液体に戻り、
内部の圧力は非常に小さくなります、その温度の水蒸気圧になります。
２)
>水を入れずにふたを開けたまま加熱し
この場合単純に考えれば理想気体で近似できます、かなり高温まで加熱しないと、冷やしたとき
目に見えてつぶれません、缶は結構丈夫です、でなければ缶を使う意味が無いのです。

銀鱗 · Answer

ふたを開けている缶の中に水を入れて加熱する。
↓
缶の中に水蒸気が発生し、中の空気が追い出される。（むしろ圧力は高くなっている）
↓
加熱を中止してふたをする。
↓
缶が冷やされて水蒸気が水に戻り、缶の中の圧力が下がる。
↓
缶が凹む。

説明文がそのままだとしたら明らかにおかしい。
突っ込みどころ満載だ。

これと同じ事を食品の真空パックで行っています。
（真空パックの中に品物と蒸気を入れた後に封をすると、水蒸気が水に戻り中の「気体」が無くなる）

nantamann · Answer

水の沸騰は水蒸気圧が大気圧と同じになると起こります。沸騰時の蒸気圧は１気圧で蓋をしても缶の中と外気圧は同じです。沸騰させると缶内の空気は水蒸気に追い出され缶内は水蒸気で満たされます。
蓋して（正しくは密閉）過熱を止め放置すれば缶の温度が下がり缶内の水蒸気の一部が凝縮して水となり缶内の蒸気圧は下がります。（逆に過熱を続ければ水の温度は上昇し水蒸気圧も上昇し、缶の耐圧強度を水蒸気圧が超えれば爆発しますね。）冷却時、缶は蓋がされているので外から空気は入りません。従って缶内の圧力は下がります。缶の強度によりますが冷却で缶はつぶれる。
１００℃での水蒸気圧は約１０１ｋＰa、２０℃では約２．３ｋPaです。約５０分の１の圧力に下がります。外気は１０１kPaですから、缶は１ｃ㎡あたり１ｋｇ弱の力で押されます。缶が弱ければ潰れます。頑丈な缶だと潰れませんね。
ｋPa：キロパスカルという圧力単位
http://sacn.cn.azbil.com/yangben/file/12-01%EF%BC%88FI%EF%BC%8919-1.%20%E9%A3%BD%E5%92%8C%E6%B0%B4%E8%92%B8%E6%B0%97%E5%9C%A7%E8%A1%A8.pdf#search=%27%E6%B0%B4%E8%92%B8%E6%B0%97%E5%9C%A7+%E8%A1%A8%27

＞補足コメ

水を入れず過熱し蓋をして冷却すると過熱温度にもよりますが空気は追い出され温度に対応した空気が残ります。密栓して冷却すれば缶内は減圧になり場合によっては缶は凹むでしょう。高校生になれば条件を決めれば減圧がどれくらいか計算できます。

doc_somday · Answer

おっしゃる通り、言葉が抜けています。
水蒸気が発生し、空気が追い出される。栓をした後冷却すると、缶の中にはその時点の温度に
対応する水蒸気しか無いので、大気圧に比し非常に小さい、そのため缶の強度限界まで
押し潰される。
てなとこかな。^^

水蒸気と気圧の関係について

そうですね、

> これは、中の水が沸騰することによって水蒸気が発生し、中の気圧が小さくなったため

#１です、レス有り難うございます。

ふたを開けている缶の中に水を入れて加熱する。

水の沸騰は水蒸気圧が大気圧と同じになると起こります。

おっしゃる通り、言葉が抜けています。

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