真空中での水の気化熱

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質問者：hengtop
質問日時：2006/02/16 08:45
回答数：3件

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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回答 (3件)

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No.2ベストアンサー

回答者： mii-japan
回答日時：2006/02/16 12:19

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。

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お礼日時：2006/02/16 15:53

No.3

回答者： sanori
回答日時：2006/02/16 18:31

「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。

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お礼日時：2006/02/16 18:58

No.1

回答者： doc_sunday
回答日時：2006/02/16 12:06

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。

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お礼日時：2006/02/16 15:59

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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
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こんばんは。
簡単に説明します。

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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、
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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、
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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。

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＜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。

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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。
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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。）

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＞＞＞
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