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真空乾燥機の設計をたのまれましたが、熱工学の知識が無くて困っています。
大気圧では1Lの水の蒸発するまでの熱量が約600kcal必要だということくらいは分かるんですが・・・
容器の中を真空状態(約-0.08Mpa)にして、その容器を蒸気で温める構造の乾燥装置なんですが、
蒸気が入る部分はジャケットになっていて、そのジャケットの中に140℃の蒸気を送り込みます。
そうした場合、中の水(例えば1L)を蒸発させるのに必要な熱量はどれくらい必要なんでしょうか?
蒸気を送るためのボイラーの能力を決めることができず困っています。
どなたか専門知識がある方教えていただけないでしょうか?

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A 回答 (3件)

真空容器の大きさにもよりますが、減圧した容器に水を注入すれば、飽和蒸気圧までは蒸発します


そのときの気化熱で温度が下がります
充分な大きさの容器であれば、全量蒸発します

蒸発する水の気化熱に見合った熱量を加えれば容器の温度を維持できます
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この回答へのお礼

ありがとうございました。
大変困っていましたところ、ご教示いただいたおかげで助かりました。
今後も色々とご教示いただきたく宜しくお願い申し上げます。

お礼日時:2006/02/16 15:53

「約-0.08Mpa」と書かれてますが、マイナスの符号が付くもんなんですか?



大気圧がおおよそ1000hPa=0.1MPaなんで
0.1-0.08=0.02MPaっていうことですかね?

仮に0.02MPaだとして話を進めますと、

水の相図(状態図とも言う)を見ますと、0.02MPaでは、室温でも沸騰します。

気化熱については、#1さんのおっしゃるとおり温度依存があって、サイト
http://zairyo3.riko.shimane-u.ac.jp/sigen/rrt2.pdf
によりますと、
100℃(=373℃)では540 (cal/g)
25℃(=298°K)では584.1 (cal/g)
だそうです。
しかしながら、両者の比はそれほど大きくないので、まずは一定だとして、概略の計算をしてもよいのでは。
ただし、安全上の配慮は必要だと思いますので、熱の供給温度のばらつきを140℃±aとして、温度範囲上限が140±a、下限を補償範囲の下限;例えば-10℃として、-10~140+a℃の範囲の設計をすることになると思います。

乾燥能力については、蒸気温度が140℃固定という前提なのですから、それ以上の考慮は不可なんでしょうね。


あとは、室温でも沸騰するのですから、少なくとも気化熱による洗濯物の温度低下に打ち勝つ加熱能力の算出が必要かと。


容器の内面から洗濯物までの熱伝導の計算も必要でしょうか。
0.2MPaでの熱伝導と、赤外線として直接洗濯物に届く成分とがあると思われますが、私、その辺詳しくないので、ご容赦を。
(これについては、貴方の担当ではないかもしれませんが・・・)



下記は水の相図についての読み物です。なかなか面白い文章で、わかりやすく書かれています。
(今が旬の、アイススケートの話も(笑))
http://www.chemistryquestion.jp/situmon/shitumon …
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この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました。
私の質問のしかたが説明不足だったと思うんですが、
今回私が設計を進めているのは、食品の真空乾燥機といいまして
密封された鋼製の容器の内部を真空ポンプで真空状態にし、
さらにその容器の外側に蒸気を投入するジャケットと呼ばれる
部分を構成して、真空状態での食品の乾燥をするものです。
ですが、sanori様の細かいご教示、親切なご回答大変参考になりました。
ありがとうございました。
これから私がこのジョブを進めていく上で何度も質問をするかもしれませんが、何卒ご回答の程宜しくお願いいたします。

お礼日時:2006/02/16 18:58

化学工学の専門家ではないので、多少不安ですが、熱力学的に言えば(熱力学は「準静的過程」を基本にしている」)温度さえ決まれば気化熱は温度だけの函数の筈です。

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この回答へのお礼

ありがとうございました。
私は熱工学の専門知識がないので、難しく考えすぎていたようです。
今後ともご教示お願い申し上げます。

お礼日時:2006/02/16 15:59

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Q真空中で水はいったい・・・・

 ものすごく初歩的な質問かも知れませんが教えてください。
真空チャンバーの中に水の入った開放容器を置いて真空引きをすると
容器内の水はいったいどうなるのでしょうか?
水は凍るのですか? 蒸発するのですか?
水の状態となぜその状態になるか教えてください。

Aベストアンサー

簡単に言うと,水の沸点に気圧と温度が大きく関係しています
通常,義務教育で習う沸点100℃は,自分たちが生活している
大気圧での状態です
さて真空チャンバー内の開始時の水分量や温度にもよりますが
仮に30℃としておきましょうか
真空引きを始めると気圧が降下していきます
そして0.004MPaに達したときに沸点を迎え蒸発を開始します
この蒸発時に気化熱を奪われるため,水の温度も降下していきます
更に真空引きを続けると圧力降下により沸点も降下し蒸発を続けます
真空引きのポンプの能力が非常に高性能で絶対真空に近いものに
なると沸点は0℃近くまで下がります
さらに真空引きを続けます
この状態で気化に追いつけない液体は凍結し固体へと変化をします

ちなみに私は自動車部品の真空乾燥装置の設計をしていました
ではでは

Q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。

Aベストアンサー

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。

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...続きを読む

Q水の蒸発熱(潜熱)に圧力依存性はありますか?

初心者のタイトル通りの質問です。蒸発熱に温度依存性があることは知っていますが、接している気体の圧力によっても変わるのでしょうか? 私は温度で変わるのだったら何となく圧力でも変わるのではないかと思います。
どこかにすでに質問があるかとこのサイトでも調べたのですが解りません。実際はどちらなのでしょうか。もしご存知の方がおられましたらご回答かURL等をご紹介いただけないでしょうか。よろしくお願い申し上げます。

Aベストアンサー

No3です。あとから考えて”温度固定で水の分圧は上がるわけでもなさそうなので”ちょっと余計でした。理想気体なら部分モルエンタルピーは単一の場合の1モルあたりのエンタルピーに同じで、(∂H/∂P)(_T)=0で要するに理想気体である限りHは圧によらない、ということですね。また、液体の方は空気で加圧したとしても純粋の水のモル当りのエンタルピーを考えればよろしいですね。こちらはh+V≠0になるはずでHが圧により変化するのですが、計算してみると(∂H/∂P)(_T)=v(1-αT)(1-κP)となります。α熱膨張係数、κは圧縮係数です。温度が低ければ(∂H/∂P)(_T)=v(1-κP)ということです。

Q気化熱と蒸発潜熱

両者の違いが分かりません。
どなたか教えてください。できれば今日中に…

Aベストアンサー

確か同じものですよね。

気化熱は潜熱の一種です。
潜熱というのは物体の相が変わるために必要な熱量のことで、
固相←→液相(融解、凝固)のときを融解潜熱、
液相←→気相(蒸発、凝縮)のときを蒸発潜熱、
固相←→気相(昇華)のときを転移潜熱というわけです。

QNm3とNm3/hは違う単位ですか?

書類にはNm3/hとあります。間違って質問したのか頭が少しこんがらがりました。
Nm3はニュートン立方メートルと呼んで力の単位ですか?ではどのように使いますか?
Nm3/hはリューベパーアワーと呼んで気体の体積単位ですか?
このような理解でよろしいのでしょうか?
ご指導よろしくお願いします。

Aベストアンサー

Nm3は、ガスの体積を示し(ノルマル・リューベ)と読みます。
ガスを標準状態(0℃、1気圧)へ換算した単位です。
ボイル・シャルルの法則により、ガスの体積は、圧力が倍になれば、半分になってしまいます。
従って、圧力や温度に左右されない実量を管理する目的をもった単位です。
ガスを扱う設備では、多くがこの単位を使います。
ノルマルは、英語のNormalのことですが、なぜか日本ではこの単位を読むときは「ノーマル」ではなく「ノルマル」と読みます。
また、リューベは、立方メートルを示す産業用語です。

一方、Nm3/h(ノルマル・リューベ・パー・アワー)は、流量を示す単位で、
ガスがその瞬間にどのくらい流れているかを標準状態換算で示す瞬間値です。
たまに慣れている人は、ノルマルを省略するので、注意が必要です。

1Nm3/hの流量で1時間ガスが流れ続けたら、総計1Nm3のガスが流れたことになります。

その他、Nl(ノルマル・リットル)という単位もあり、これも同じように標準状態換算を示します。

Q熱交換の基礎式を教えてください。

熱交換器における基礎式を教えてください。
蒸気と水での熱交換を行う際に、入口温度と出口温度の関係、
それに流速等も計算のデータとして必要なんだと思うんですが、
どういう計算で熱量、流速を決めればいいのか熱力学の知識がないので
分かりません。
いろんな書籍を買って勉強していますが、難しくて分かりません。
それに独学ですので、聞ける人がいなくて困っています。
どなたか、簡単に熱交換の基礎式などを教えてください。

Aベストアンサー

 伝熱の計算は非常に難しいのですが、「難しい」と言っているだけでは先に進みませんので、そのさわりを。
 基本式は、Q=UAΔtです。
 Q:交換される熱量
 A:伝熱面積
Δt:伝熱面内外の温度差
  (冷却水入出の差ではない)

 ここで曲者は、U(総括伝熱係数とか熱貫流係数とか呼ばれるもの)です。
 Uの内部構造は、1/U=1/h1+1/hs1+L/kav.+1/hs2+1/h2と表現され、hを見積もる事が大変難しいのです。
 h:伝熱面の境膜伝熱係数、内外2種類有る。
 hs:伝熱面の汚れ係数、内外2種類有る。
 L:伝熱面厚み
 kav:伝熱面の熱伝導率の異種温度の平均、熱伝面内外で温度が異なり、温度によって変化する熱伝導率を平均して用いる。
 hは、流体の種類や流れる速さ(主な指標はレイノルズ数)によって変化します。
 hsは、どの程度見積もるか、、、設備が新品ならZeroとしても良いのですが、使い込むとだんだん増加します。
 更には、Aも円管で厚みが有る場合は、内外を平均したり、Δtも入り口と出口の各温度差を対数平均するとか、色々工夫すべきところがあります。

>冷却管はステンレス製(SUS304)です。
 →熱伝導度の値が必要です。
>冷却管の中の水の温度は入口が32℃で出口が37℃です。>流量は200t/Hr程度流れております。
 →冷却水が受け取る熱量は、200t/Hr×水の比熱×(37-32)になります。この熱量が被冷却流体から奪われる熱量です。=Q
>冷却管の外径はφ34で長さが4mのものが60本
>冷却管の外径での総面積は25.6m2あります。
 →冷却管の壁厚みの数値が計算に必要です。
 伝熱面積も外側と内側を平均するか、小さい値の内側の面積を用いるべきです。

 まあしかし、現場的な検討としては#1の方もおっしゃっているように、各種条件で運転した時のU値を算出しておけば、能力を推し測る事が出来ると思います。
 更には、熱交換機を設備改造せずに能力余裕を持たせるには、冷却水の温度を下げるか、流量を増やすか、くらいしか無いのではないでしょうか。

 伝熱の計算は非常に難しいのですが、「難しい」と言っているだけでは先に進みませんので、そのさわりを。
 基本式は、Q=UAΔtです。
 Q:交換される熱量
 A:伝熱面積
Δt:伝熱面内外の温度差
  (冷却水入出の差ではない)

 ここで曲者は、U(総括伝熱係数とか熱貫流係数とか呼ばれるもの)です。
 Uの内部構造は、1/U=1/h1+1/hs1+L/kav.+1/hs2+1/h2と表現され、hを見積もる事が大変難しいのです。
 h:伝熱面の境膜伝熱係数、内外2種類有る。
 hs:伝熱面の汚れ係数、内外2...続きを読む

Q水のポンプの吸い込み高さについて

水の吸込み高さはポンプの能力に関係なく限界値は10mですよね?

<調べた計算式>
1気圧=1013.25hPa=101.325kPa
 重力加速度:9.80619920m2/s
 101.325/9.80619920=10.33274m

質問(1)
なんとなくポンプの能力の大小で吸込み高さは変わってくる気がする。
大きければ大きいほど吸込めませんか?(10m以上でも)
質問(2)
吸込み高さと1気圧、重力加速度がどう関係するのかが理解できませんので教えてください。

Aベストアンサー

ポンプで水を吸い上げる時、高さの差がある値以上になると吸い上げることが出来なくなるというのは早くから知られていたことです。多分ガリレオの時代からでしょう。問題になった場面は鉱山でのわき水のくみ上げです。トリチェリーの真空で有名なトリチェリーはガリレオの弟子です。トリチェリーがあの実験をやってみようというきっかけにもなっていると思います。
1mほどの片方が閉じているガラス管を横にして水銀を満たします。開いている方を下にして縦にすると液面が下がって76cmの高さのところで釣り合います。水銀の上には空間が出来ます。これが真空だというのはかなり議論を呼んだことのようです。ガラス管を斜めにするとこの空間がどんどん小さくなります。寝かしてしまうと消失しますので空気のような気体が入っているものではないというのは示すことが出来ます。高さの差が76cmですから斜めにするとガラス管に沿っての水銀の長さは長くなります。

この実験はご存知ですか。

水銀の気圧計も血圧測定の圧力計もみな同じ考えを使っています。

水の場合も長いホースに水を満たして持ち上げていくと同じような実験が出来ます。でも実際はなかなか難しいようです。古い本ですが岩波かがくの本のシリーズ(板倉聖宣著)に実験がのっていました。透明なビニールホースを川に沈めてから欄干に引き上げるということをやっています。気密性を確保するのが難しかったようです。水の重さもかなりになりますので欄干に引き上げるのも大変です。断面積が5cm^2だとすると50kgほどになりますから。

水銀の密度が水の密度の13.6倍であるということが76cmと10mの違いです。

10m以上ある時は吸い上げポンプでは駄目ですが押し出しポンプでは可能です。川の水を堤防の上にくみ上げたいときはポンプを水面近くに持っていきます。
ポンプの能力が大きくなると一度に吸い込む水の量が大きくなります。

>1気圧=1013.25hPa=101.325kPa
 重力加速度:9.80619920m2/s
 101.325/9.80619920=10.33274m

この数値はどこで見られたものでしょうか。物理を知らない人の書いた数字だと思います。9.8という値は日本の標準値です。その下の桁の数字は場所ごとに変化しますので普通の計算では9.8という数字を使いましょうという約束だと思って貰うといいです。物理の教科書に出てくる値です。ポンプの吸い上げ能力を理解するのには細かい数字は必要ありません。
重力の加速度の値は地球の自転の影響を受けますので緯度が高くなると大きくなります。地球の内部構造の影響も受けます。日本で9.80を越えているところは東北地方から北です。9.806という値は北海道になります。沖縄の那覇で9.791です。最後の1のところは沖縄の中でも変わります。
(場所ごとの細かい重力の違いから地殻の構造などを知ることができます。そのために比較の基準となる値が国際会議で決められています。9.80619925という数字は北緯45°での海面での基準値です。1980年のものです。細かい数字には細かい数字を使わなければいけない場面が想定されています。)

一人で勉強するときに細かい数字に引きずられると現象が見えなくなることがあります。大きな現象の意味を理解するつもりの方がいいと思います。

4桁以上の数字が出てきた場合は別の本を調べて見る方がよいようです。書いた人が現象の意味がよく分かっていない可能性がありますから。

ポンプで水を吸い上げる時、高さの差がある値以上になると吸い上げることが出来なくなるというのは早くから知られていたことです。多分ガリレオの時代からでしょう。問題になった場面は鉱山でのわき水のくみ上げです。トリチェリーの真空で有名なトリチェリーはガリレオの弟子です。トリチェリーがあの実験をやってみようというきっかけにもなっていると思います。
1mほどの片方が閉じているガラス管を横にして水銀を満たします。開いている方を下にして縦にすると液面が下がって76cmの高さのところで釣り...続きを読む

QNをkgに換算するには?

ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?一応断面積は40mm^2です。
1N=9.8kgfなので、「40kg=N×0.98」でいいのでしょうか?
ただ、式の意味がイマイチ理解できないので解説付きでご回答頂けると幸いです。
どなたか、わかる方よろしくお願いします。

Aベストアンサー

こんにちは。

kgfはSI単位ではないですが、質量の数値をそのまま重さとして考えることができるのがメリットですね。


>>>
ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?

なんか、日本語が変ですね。
「ある試験片に40kgの重りをつけた時の引っ張りの力は何Nの力で引っ張るのと同じですか?」
ということですか?

・・・であるとして、回答します。

40kgのおもりなので、「おもりにかかる重力」は40kgfです。

重力は万有引力の一種ですから、おもりにも試験片にも、地球からの重力はかかります。
しかし、試験片の片方が固定されているため、見かけ、無重力で、試験片だけに40kgfの力だけがかかっているのと同じ状況になります。

試験片にかかる引っ張り力は、

40kgf = 40kg×重力加速度
 = 40kg×9.8m/s^2
 = だいたい400N

あるいは、
102グラム(0.102kg)の物体にかかる重力が1Nなので、
40kg ÷ 0.102kg/N = だいたい400N


>>>1N=9.8kgfなので、「40kg=N×0.98」でいいのでしょうか?

いえ。
1kgf = 9.8N
ですね。


>>>一応断面積は40mm^2です。

力だけでなく、引っ張り応力を求めたいのでしょうか。
そうであれば、400Nを断面積で割るだけです。
400N/40mm^2 = 10N/mm^2 = 10^7 N/m^2
1N/m^2 の応力、圧力を1Pa(パスカル)と言いますから、
10^7 Pa (1千万パスカル) ですね。

こんにちは。

kgfはSI単位ではないですが、質量の数値をそのまま重さとして考えることができるのがメリットですね。


>>>
ある試験片に40kgの重りをつけた時の荷重は何Nをかけてあげると、重り40kgをつけたときの荷重と同等になるのでしょうか?

なんか、日本語が変ですね。
「ある試験片に40kgの重りをつけた時の引っ張りの力は何Nの力で引っ張るのと同じですか?」
ということですか?

・・・であるとして、回答します。

40kgのおもりなので、「おもりにかかる重力」は40kg...続きを読む

Q水の蒸発速度について

熱平衡、T℃、大気との接触面積A、の条件下でビーカーに入っている
体積Vの水の蒸発速度を求めるにはどうしたら良いのでしょうか?
或いは水の残りの量によって蒸発速度は異なるのでしょうか?
このための式などがありましたら教えて下さい。

Aベストアンサー

水の近傍では空気は対流がなく、水蒸気は拡散だけで移動します。温度は一様とします。この薄い層での水蒸気分圧eは表面からの距離だけに依存し、水蒸気密度ρの分布も同様となります。
ここで水の表面に垂直にx軸をとりますと、x軸に垂直な平面dFをdt時間に通過する水蒸気の質量dmはFickの拡散法則により、
dm=D(dρ/dx)dFdt...(1)
となります。こうした条件でならFickの式が蒸発速度を決めるのです。水の体積や残りの量には依存しません。ここでDは拡散係数で温度と空気の圧力に依存します。空気中の水蒸気分圧eは、
e/ρ=RT/18...(2)
となります。但し水の分子量を18でいれているので、ρはg/ccの単位です。
(2)から
dρ/dx=(18/RT)(de/dx)...(3)
ですから(1)は
dm=D(18/RT)(de/dx)dFdt...(4)
となります。
蒸発が定常的としたので、このdmがまさに水の表面dFの部分からdtの間に蒸発する水の質量に等しくなります。蒸発速度をVとすれば、V=dm/(dFdt)ですから、
V=D(18/RT)(de/dx)...(5)
となります。Dについては
D=0.241(T/288)^(1.75) (760/P) cm^2/s (Pは空気圧をmmHgで測定)
だそうです。(これも古いデータです。)ちなみに水の上の薄層の厚さは無風で12 mm程度、3 m/sの風で4-5 mmだそうです。
Vを計算するには分圧の勾配de/dxが必要ですが、私が見たことのある古いデータでは26℃でde/dx≒5.8 mmHg/cm程度でした。D≒0.24とすれば、V=5-6 mg/cm^2/hになります。新しいデータはお確かめ下さい。

水の近傍では空気は対流がなく、水蒸気は拡散だけで移動します。温度は一様とします。この薄い層での水蒸気分圧eは表面からの距離だけに依存し、水蒸気密度ρの分布も同様となります。
ここで水の表面に垂直にx軸をとりますと、x軸に垂直な平面dFをdt時間に通過する水蒸気の質量dmはFickの拡散法則により、
dm=D(dρ/dx)dFdt...(1)
となります。こうした条件でならFickの式が蒸発速度を決めるのです。水の体積や残りの量には依存しません。ここでDは拡散係数で温度と空気の圧力に依存します。空気中の水蒸気分圧e...続きを読む


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