蒸気圧がよくわかりません。

Question

蒸気圧は
「一定温度の密閉した容器の中に液体を入れて放置すると、やがて蒸発する粒子と凝縮する粒子の数が等しくなる。この状態を気液平衡という。
ある温度において気液平衡状態にあるときに、気体が示す圧力を飽和蒸気圧または蒸気圧と呼ぶ。」
と書いてありました。
沸騰は
「解放された容器で、液体の蒸気圧と液面を押している圧力が等しくなった時起こる。」
と書いてありました。
ここで質問なのですが、
開放された容器でも、液体が蒸発した気体の圧力がその温度における蒸気圧に達することができる理由は、加熱しているからでしょうか？
蒸気圧は密閉容器で達する圧力なのに、開放系でも達しているところに違和感を覚えてしまいす。

yhr2 · Accepted Answer

No.9 です。まだ続いているんですね？

#9 の「お礼」に書かれていることについて。

＞再度教科書を読んでみたのですが、画像の2枚目のように気泡の中の空気の圧力を蒸気圧と書いてあると思うのですが、これは、泡を構成している気体となった水粒子の数と気体から液体の水粒子に戻る分子の数が単位時間で見ると同じ、つまり泡の中と外で気液平衡になっているから、気泡の中の空気の圧力を蒸気圧と呼んでいるのではないかと思うのですが、どうなんでしょうか？

そういうことだと思います。

yhr2 · Answer

No.8 です。「お礼」に書かれたことについて。

＞http://fchem.4rm.jp/log/rika/3924.html
＞このサイトで見つけました。

なるほど。
持って回った言い方なのでよく分かりませんが、
・沸騰は「過渡現象」なので、飽和蒸気圧 = 大気圧といった「バランス状態」ましてや「気液平衡状態」では起こらない。液体の温度が沸点よりも高い「アンバランス」である必要がある。
・実際には、さらに表面張力や、液体内での気泡の成長といった動力学も考慮しないといけない。
というようなことかと思います。

高校化学では、そういった「詳細な複雑さ」は議論せずに、単純に「飽和蒸気圧 = 大気圧 = 気泡中の蒸気圧 = 液体表面のすぐ近くの蒸気の圧力」として説明している、ということなのではないかと思います。

yhr2 · Answer

No.7 です。「お礼」に書かれたことについて。

＞おかげ様で疑問は解決しました。

それは何よりでよかったです。

＞高校の化学レベルだと、「液体表面のすぐ近くの蒸気の圧力は、その温度での液体の飽和蒸気圧になっている」という前提があるようなのですが、そうなのでしょうか？

どこの、どのような記述か分からないと、何ともいえません。
密閉した容器であればそうでしょうが、開放された状態ではそのような状態はかえって不自然だと思います。

yhr2 · Answer

No.6 です。「お礼」に書かれたことについて。

＞このような理解でよろしいでしょうか？

だいたいそういうことでよろしいのではないでしょうか。

それで、当初の疑問は解決したのですか？

少し参考になりそうなサイトも挙げておきます。
↓
https://www.sidaiigakubu.com/examination-measure/chemistry/47/#:~:text=%E6%B2%B8%E7%82%B9%E3%81%AF%E9%A3%BD%E5%92%8C%E8%92%B8%E6%B0%97%E5%9C%A7,%E3%81%B0%E3%82%A4%E3%83%A1%E3%83%BC%E3%82%B8%E3%81%A7%E3%81%8D%E3%81%BE%E3%81%99%E3%81%AD%E3%80%82
http://www.osaka-kyoiku.ac.jp/~hiroakio/2008/08ko-091.html
https://www.kce.co.jp/tec-info/distillation/vapor-pressure.html

yhr2 · Answer

No.5 です。「お礼」に書かれたことについて。

＞飽和蒸気圧＝蒸気圧だと思っていたのですが、そうではなかったのですね。

いや、分かりづらいですが、用語としては「飽和蒸気圧＝蒸気圧」です。

＞飽和蒸気圧を略して蒸気圧という事もあるけど、蒸気圧を単に蒸気の圧力という意味で使う事もあるという事で間違いがないでしょうか？

「その温度、圧力における蒸気の圧力」という意味では「蒸気量」とか「蒸気の分圧」という言い方をすると思います。
なので、 #5 でも「実際の蒸気の圧力（蒸気の分圧）」というまどろっこしい言い方をしました。

実際の蒸気の圧力（蒸気の分圧）/飽和蒸気圧 
= 実際の蒸気量/飽和蒸気量
= (相対)湿度

ということです。

沸点以前の温度では、「実際の蒸気の圧力（蒸気の分圧）」の最大値は「飽和蒸気圧」であって、それでも
　飽和蒸気圧 < 大気圧
であれば水面以外気泡はできません。（実際には、局所的に沸点以上の温度のところができて小さな気泡ができることはあります）
従って「沸騰」が起こりません。

沸点以上の温度になれば、
　飽和蒸気圧 ≧ 大気圧
になって、加熱によって生じた「蒸気」が大気圧以上になり得るので、水面以下の水中からも気泡（中身は蒸気）が発生するようになります。それが「沸騰」です。
「水面以下の部分では、水頭による水圧分だけ大気圧よりも圧力が高い」とすれば、そこでは局所的に「大気圧の沸点より少し高い温度」になって「飽和蒸気圧 ≧ 大気圧 + 水頭差」になっているということです。
「加熱」しているのでそういう状況も起こります。

加熱によって生じた「実際の蒸気の圧力（蒸気の分圧）」の最大値が「飽和蒸気圧」なので、「飽和蒸気圧 ≧ 気泡の圧力 ≧ 大気圧 + 水圧」であれば沸騰が起こる、加熱を続ければ沸騰が維持するということです。
もちろん、やかんやなべを見れば分かる通り、加熱をやめれば沸騰は止まります。

yhr2 · Answer

No.2 です。
あなたの書かれた図の意味がよく分かりませんが、あなたは「実際の蒸気の圧力（大気圧中の蒸気の分圧）」と「飽和蒸気圧」をごちゃごちゃにして考えていませんか？

「実際の蒸気の圧力（蒸気の分圧）」=「飽和蒸気圧」になればそこで蒸発は止まる（#2 に書いた (a) と (b) が平衡する）ということであり、
「実際の蒸気の圧力（蒸気の分圧）」<「飽和蒸気圧」であれば蒸発が継続するということです。加えた熱がどんどん「蒸発」に使われるということです。

開放系で「飽和蒸気圧」≧「大気圧」の温度になれば、「実際の蒸気の圧力（蒸気の分圧）」の最大値は「大気圧」ですから、いくら蒸発しても飽和蒸気圧に達することはないので、加えた熱が「液体の温度上昇」ではなく「蒸発」に使われることになります。それが「沸騰」です。
「実際の蒸気の圧力（蒸気の分圧）」=「大気圧」≦「飽和蒸気圧」であれば、液面だけでなく液の中からも蒸気の気泡が発生します。

もし「閉鎖系」（密閉容器）であれば、蒸発による実際の「蒸気圧」が「飽和蒸気圧」に達してしまえば、それ以上の蒸発は起こらず、そのときの温度と容器内の圧力で決まる状態（たとえば、2気圧、120℃ など）で気液平衡になります。
また、「開放系」でも、富士山頂のような大気圧が 0.6～0.7 気圧のところでは、低い温度で飽和蒸気圧に達するため80℃程度で沸騰します。

oo14 · Answer

ラーメン鍋理論によると
大気圧+水高＝蒸気圧です。

気泡にかかる蒸気圧力は、
液面での圧力と異なります。

沸騰２枚目で見ると
両方にこの赤い部分という注釈が入っており
水高が考慮されていないように見えます。

oo14 · Answer

小学生程度の知識しかないもので、難しいことはわかりませんが、
インスタントラーメンをつくるとき、鍋の底から、気泡が上がってきたとき
麺を投入しています。このときのことで考えます。
大気圧の１気圧は水の高さで表せば10ｍです。
鍋の水の高さは10ｃｍです。
つまり沸騰する鍋底の圧力は大気圧より１％高い場所です。
このラーメン鍋は圧力上昇はありませんので爆発もしません。
この現象は決して違和感はありませんけどね。
(すみません。図は何を書いておられるのか不鮮明で見えてません）

yhr2 · Answer

蒸気圧は、一定温度の密閉した容器の中に液体と気体の境界面があると、
(a) 液体→気体に飛び出す分子数
と
(b) 気体→液体に飛び込む分子数
が平衡した状態と考えればよいです。
「(a) 液体→気体に飛び出す分子数」は液体分子の持つ運動エネルギー＝温度で決まり、
「(b) 気体→液体に飛び込む分子数」は、気体中の分子の数＝蒸気圧（分圧）で決まります。
従って、これが平衡する「飽和蒸気圧」は、一般には温度が高いほど高くなります。

＞開放された容器でも、液体が蒸発した気体の圧力がその温度における蒸気圧に達することができる理由は、加熱しているからでしょうか？

開放された容器では、気体中の分子はどんどんと容器外に拡散しますから、通常では気体が「飽和蒸気圧」までに達することはなく、液体は (a) と (b) の差分が自然に蒸発していきます。
つまり、気体中の蒸気圧が「飽和蒸気圧」未満であれば、液体→気体に蒸発できるということです。

気体の圧力（分圧）がその温度における飽和蒸気圧に達してしまえば、(a)=(b) となってそれ以上の蒸発は起こりません。

「沸騰」の定義を誤解していませんか？
「開放された容器で、液体の飽和蒸気圧が液面を押している圧力（気圧）に等しくなったとき起こる」
ということであり、それ以上の温度ではいくら蒸発しても飽和蒸気圧に達することがないので（開放系ですから）、いくらでも（液体の中からでも）蒸発できるようになる、ということです。

oo14 · Answer

開放された容器なら、部分的に圧力が上がることはありません。
ただ、開放端が容器から配管でつながっている場合は
配管部の流れによる圧力損失がありますので、
液体のある場所が蒸気圧まで上昇することはあるでしょう。
ボイラーの配管などは配管そのものが圧力容器ですそこに開放端がある場合はおっしゃっておられるような現象が生じる場合はありそうです。

蒸気圧がよくわかりません。

No.9 です。

No.8 です。

No.7 です。

No.6 です。

No.5 です。

No.2 です。

ラーメン鍋理論によると

小学生程度の知識しかないもので、難しいことはわかりませんが、

蒸気圧は、一定温度の密閉した容器の中に液体と気体の境界面があると、

開放された容器なら、部分的に圧力が上がることはありません。

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