飛行機に濡れタオルをつけたら？

最近梅雨で、洗濯物が乾きにくくて困ってます。
エアコン＋扇風機を使っても、なかなか乾きにくいです。

で、ふとくだらない疑問を抱いてしまったので、
頭の良い方が居たらおしえてください。

仮に塗れたタオルを乾かそうとした場合です。
湿度が高く、飽和状態のまま家の中で扇風機を回しても全く乾かないのでしょうか？
（現実的にそこまでの環境がありえなそうですが）

扇風機を使うというのは、湿度の低いフレッシュな空気を洗濯物にあてて、
乾かすという事なのでしょうか？
だとしたら、たとえば、新幹線や、レーシングカーや、
飛行機などに濡れタオルをくっつけておいたとしたら、
すぐに乾いてしまうものなのでしょうか？
まあ、飛行機とかだったら、高度があるから凍ってしまうのかな？
あれ？新幹線とかでも、気化熱で一時的に凍ったりするのでしょうか？

と、質問自体もあまりよくわかりませんが、
このあたまのゴチャゴチャを解消してください。
お願いします。

No.8 ベストアンサー 回答者： mydummy 回答日時： 2005/07/08 23:05

#7氏

大変鋭い指摘です。扇風機の風で水分子が次々とタオルに命中するという点には全く同意します。

そこで、次のような思考実験を行ってみましょう。

理想的な密閉容器を真空にし、そこに水（液相）を入れます。液相の水分子はランダムな運動と衝突を繰り返し、一定の確率で分子間力を振り切って気化するものが生じます。この確率は水分子のランダムな運動速度（温度）と表面積が一定であれば一定です。
水分子が気化するので、真空だった領域には水分子（気相）が満たされます。この水分子もランダムに運動していますので、一定の確率で液相部分に落ち、分子間力に捕まって液化するものが出てきます。この確率は気相の水分子の数（と液相との接触面積）に比例します（各分子の動きはランダムなので）。

以上の条件から考えると、水を入れた直後は水分子は気化するばかりで液化しません（液化できる水分子がない）。時間とともに気化した水分子が増えていき、従って液化する（できる）水分子も徐々に増えていきますが、基本的には気化する量が多く、水蒸気は増えていきます。十分な時間が経つと、気化する水分子と液化する水分子の数が等しくなり、いくら液体の水が蒸発してもその分水蒸気が液化してしまう、水蒸気が増えない、という状態になります。
このときの水蒸気の密度（体積あたりの数）のことを“飽和水蒸気量”と呼びます……水蒸気が飽和状態にあるとは、「これ以上蒸発しない」ことではなく、「気化と液化が同じ速度で起こってしまう」状態だと言うことが出来ます。気体と液体の水で分子交換をしつづけているわけです。また、この状態の水蒸気の持つ気圧のことを飽和水蒸気圧呼び、この状態は「水の気化と液化が平衡している」と言い表すことができます。

しかし、ここで考えてみてください。気温が上がるとなぜ飽和水蒸気量が増えるのでしょうか?。今の説明だけだと、気温が変わっても飽和水蒸気量が上がる理屈が説明できません。
……そこで、水蒸気の分子が水（液相）にぶつかるときにことをもう一度考えてみましょう。気温が高いということは気体分子の運動速度が速いということです。液相にぶつかる速度が十分に速いと、ぶつかって反射したときの速度も速く、そのまま分子間力を振り切って気化してしまう確率が上がります。言い方を変えれば、気体の水分子が液化する確率が下がるわけです。従って、気化と液化が平衡状態になるにはより多くの水蒸気量が必要です。
これが気温が上がると飽和水蒸気量が上がる説明になるわけです。統計力学を用いるのは、古典熱力学では扱いづらい飽和水蒸気量の由来をきれいに説明するからです。両者とも重要なのは違いありませんが。

で、扇風機の風が当たるとどうなるのでしょうか?。当然ぶつかっていく水蒸気の分子の速度も上がります。すると風が吹いている部分だけ気温が上がって飽和水蒸気量が増えたのと同じ状態になります。扇風機で加速された場所から濡れタオルまでのあいだで水蒸気が増えなければ、#6のような議論は成り立つ訳です。で、今回の実験セッティングでは水蒸気が露中増えることはなさそうです。


ここまでの議論を見ると、実は水蒸気以外は関係ないように見えます。実際、マクロ的には飽和水蒸気圧は水蒸気の分圧で評価するので、大気中では水蒸気以外の分子は鑑みないことになっています。ではなぜ水蒸気以外のことも書いたのでしょうか。
理由は、「摩擦熱」の議論にあります。それ自体が水でなくても（液化しなくても）、水分子に運動エネルギーを与えます。巨視的に見れば水の温度を上げているように見えるわけです。例の密閉容器に水蒸気を含まない熱い空気を入れると水と水蒸気の温度が上昇します。
では、濡れタオルや新幹線の例ではどうなっているでしょうか。濡れタオルの例では、濡れタオル近辺とそれ以外の場所で風速が違います。新幹線の例で蒸発した水蒸気はどこかへ飛び去ります。これらの場合、飛び去った水蒸気が与えたエネルギーを持ち逃げしていて、風速が遅くなると同時にその分の運動エネルギーをどこかに捨てています。
数学的に言えば、系が理想的に閉じていません。こういう場合、系の開いた場所から投入したエネルギーが逃げている訳です。すると理想的な状態のようには温度が上がりません。

長文連投ですみません。

No.7 回答者： hikaru_mac 回答日時： 2005/07/08 01:26

他の問いは皆さんが答えていらっしゃる通りだと思いますので

＞湿度が高く、飽和状態のまま家の中で扇風機を回しても全く乾かないのでしょうか？
の問いにだけ．

乾かないと思います，
no.6さんのような状況を思考実験してみましたが，
扇風機の風によって飛んでくる水分子が次々と服にあたりますので．

ところで湿度が高くて飽和状態の水蒸気の圧力のことを飽和水蒸気圧と言います．

No.6 回答者： mydummy 回答日時： 2005/07/07 01:29

飽和状態で風を当てて濡れタオルを乾かそうとするとどうなるか？

答えとしては「タオルは」乾きます。

気体も液体も全て運動する分子の集合であると考える統計力学を使って思考実験してみましょう。
扇風機で風を水（液相）に当てると、高速で運動する気体分子が水の表面にぶつかり続けます。すると水表面のH2O分子は気体分子の衝突によって加速されます。その速度が十分に大きいとき、水を液相にとどめる分子間力を振り切って気化します。単純に言えば風が水分子を「吹き飛ばして」いるわけです。#4氏の書いたような「蒸発した水を吹き飛ばす」だけでなく、蒸発していな水分子さえも吹き飛ばすのです。
従って、高速な風があるとき、飽和水蒸気量は増加していると見なすことが出来ます。統計力学では気体の（乱雑な）運動を気体の熱と見なすことになっているので、当たり前と言えば当たり前です。空気の温度が上がると飽和水蒸気量が増えるというのは統計力学的には「吹き飛ばし効果」が増強されるという解釈になります。#3氏の書いている「摩擦熱」はまさにこういう現象として解釈可能です。
ちなみに、扇風機に供給される電力以外が理想的に密閉された系であれば、扇風機を回し続けると系の温度は上昇します。電力が最終的に熱エネルギーという形態で落ち着くからです。
さて、理想密閉空間でなく家の中でそれをやった場合どうなるでしょう。風は次第に速度を緩め、部屋の中ではタオルに当たる風よりも風速が遅い部分が出てきます。そこでは前述ほどの「吹き飛ばし効果」は生じません。したがって、そういう場所では飽和水蒸気量は下がり、結露が生じます。

従って、結論はこうなります。「タオルは湿度100%程度まで乾く。そのかわり家のどこかに結露が生じる」。

ちなみに、室温で湿度が十分に低い場合、扇風機で生じる程度の風の速さでは、扇風機による加速での「吹き飛ばし効果」は十分に現れないと考えられます。湿度の低いフレッシュな空気を当てる効果の方が十分に大きいと考えられます。
新幹線やレーシングカー程度の速度になると「吹き飛ばし効果」が十分に大きくなります。おそらく気化熱で水の温度が下がり、場合によっては凍るかもしれませんが、高速な空気の分子は氷の表面の水分子さえ吹き飛ばしますので、見た目としては昇華現象が起きるでしょう。いずれにせよ、大量の運動エネルギーが供給されるので、あっという間に乾くでしょう。

ちなみに飛行機で上空に持っていった場合、「吹き飛ばし効果」以外にもいろいろな現象が生じます。まず気温が下がるので結露しやすくなりますが、気圧が下がるので水蒸気の動きも変わり、水蒸気と水（液相）の間の分子交換にも影響が生じます。気体分子の密度も減るので、地上と比べて速度の割に「吹き飛ばし効果」が出ないでしょう。全体的に言えば、空気が上空に上るときに雲が出来やすくなるので、同速度であれば地上より乾きにくいと予想されます。


以上、思考実験でした。実際に実験をしてないからどうしようもないですけどね。個人的には、「密閉容器の中に湿度100%の空気と濡れタオルと扇風機を入れ、風を濡れタオルに当ててみる」なんて中学生の理科の実験か自由研究でやると面白いし、統計力学への入り口にもなって最適の実験だと思います。

No.5 回答者： xcrOSgS2wY 回答日時： 2005/07/06 23:49

経験談を1つ。

ある年中蒸し暑い国に行ったときのことです。

飛行機が無事着陸して、窓から空港のターミナルの様子を眺めていたら、どんどん窓が曇りだしてとうとう外の景色がほとんど見えなくなってしまいました。

なぜそんなことになったのか。

上空を飛行していてほどよく冷えた機体が蒸し暑い場所に降りてきたせいで、「機体の外側」が結露してしまったのです。

このとき、仮に機体の外側にタオルをくっつけてあったとしたら、たとえ乾いたタオルでもびしょ濡れになってしまったでしょうね。

ちなみに、飛行機の外に出たとたんにメガネも雲ってしまいました。これは機内がほどよく冷房されていてメガネも冷えていたせい。

No.4 回答者： char2nd 回答日時： 2005/07/06 22:10

＞扇風機を使うというのは、湿度の低いフレッシュな空気を洗濯物にあてて、

乾かすという事なのでしょうか？

　この場合、タオルの表面から少しずつ蒸発する水分を吹き飛ばし、表面付近の湿度を下げることで、早く乾句のです。
　従って、湿度が飽和状態の場合は全く乾きません。

＞新幹線や、レーシングカーや、
飛行機などに濡れタオルをくっつけておいたとしたら、
すぐに乾いてしまうものなのでしょうか？

　空気圧は考えないとして、乾くのは早いでしょうね。すぐとは行かないでしょうが。
　飛行機の場合は飛ぶ高度によっては凍るかも知れません。ただ、それはあくまでも周囲の気温が低いからで、気化熱のせいでは無いですね。最も、気圧も低いのでその影響もあるでしょう。
　新幹線やレーシングカーについても同様です。空気との摩擦で発生する熱は大したことはないですが、やはり乾くのは早いでしょうね。

　これトリビアの種になりそうですが・・・

No.3 回答者： tumiki7 回答日時： 2005/07/06 21:46

水（水分）がどこへいくかということで考えればよいのでは？温度低ければ凍る（そこにとどまる）、重力、引力、力がかかれば重さのあるもの（水）はどう動く？

＞新幹線や、レーシングカーや、
飛行機などに濡れタオルをくっつけておいたとしたら、すぐに乾いてしまうものなのでしょうか？

あまり高速になると、空気の摩擦等で熱を発する？
タオルの布がもつかどうかは？こんなところでどうでしょう。

No.2 回答者： Kon1701 回答日時： 2005/07/06 21:43

湿度が高く、飽和状態でしたら、乾かないことになりますね。

飛行機などに濡れタオルをくっつけたら・・・。
冬の飛行機で、ぬれた雪が窓ガラスにくっついたままの状態で離陸したときですが、吹き飛ばなかった雪、離陸直後に凍り付いてしまいました。まだ地上と大差ない気温です。多分、2～3度でしょう。気化熱？
離陸直後だと、速度は300Km/h程度ですから、新幹線と大差ないですね。

なお、窓の氷、上空では徐々に消えてゆきました。

No.1 回答者： yosshy_yosshy 回答日時： 2005/07/06 21:32

飛行機は上空1万メートルを飛んでいます。

気温は100m上がるたびに0.6度下がるといわれているので、飛行機の飛ぶところは、夏場で、地上が30度あっても－30度とかの気温なので、普通に考えたら凍ってしまうのでは？