密閉された装置に水の入ったビーカーを入れ中を真空にするとどうなるのか？

密閉された装置に水の入ったビーカーを入れ中を真空にするとビーカーの中の水はどうなるのか？
という問いで沸騰した後急激に凍ってしまうと書かれていました。
なぜでしょうか？
気圧の変化が物体の温度に与える影響とは？
そもそも物体に加わる圧力が変化したとき、温度に変化がおきるのは何故ですか？分子、原子のレベルで教えてください。よろしくお願いします。

No.5 ベストアンサー 回答者： ko-bar-ber 回答日時： 2007/05/14 22:24

気圧が低いところでは、沸点は下がります。

密閉装置内を真空に近づけると、ビーカー内の水は沸騰しますが、実際の沸点はかなり低いです。100℃ではありません。
圧力鍋は高圧なので、沸点が100℃よりも高いのはご存知ですよね？
ここでは、その逆の現象が起き、低温で沸騰しています。（これはご自分で調べて見てください）

低い温度で水は沸騰し、さらにその際に分子間力を切るための気化熱を奪われるので、温度はさらに下がります。
その結果、水の温度は凝固点以下になり、水が凍ります。
詳細は、No.1、No.2さんの意見から考えて見てください。

この回答への補足

補足をお願いしたいのですが。。。
だめでしょうか？？
水が凝固しはじめる途中、ケース内には状態の違う２種類の水が存在するということでしょうか？
熱を奪っていく側と熱を与える側の。。（＾＾；；
最終的に凝固したあとのケース内には気体の水は残っていますか？？
教えてください。お願いします。

補足日時：2007/05/15 12:26

この回答へのお礼

なんども詳しい説明ありがとうございます！気圧が下がると沸点が下がる？？？（＾＾；；うーん。イメージしにくいです！？

お礼日時：2007/05/15 09:50

No.8 回答者： ko-bar-ber 回答日時： 2007/05/15 21:09

中学校で習った状態変化を覚えていますか？

たとえば水の場合、0℃では固体(氷)と液体(水)が混じった状態があります。
100℃では液体(水)と気体(水蒸気)の混じった状態がありましたよね。

真空に引いていくと、液体の一部がしだいに沸騰して気体になります。
もちろん気化熱を奪われて、残りの液体は温度が下がり、固体になります。
瞬間的にこの装置内には、固体、液体、気体の３つの状態の水が存在することになります。
最終的には装置内の温度が凝固点以下になるため、沸騰してできた水蒸気もすべて凍って氷になると思います。（真空ポンプの性能にもよります。）
オイルスクロールポンプやターボ分子ポンプなどでは、かなり真空に近い状態まで引けるので、完全に固体になります。
どうでしょうか？

この回答へのお礼

ありがとうございます！なんとなくイメージがわかないもんですから（＾＾；；
よくわかりました！
またよろしくお願いします！

お礼日時：2007/05/15 21:49

No.7 回答者： angrox 回答日時： 2007/05/14 22:49

いままでの補足程度に、

分子が気体になるにはエネルギーが必要ですが、分子はそのエネルギーを熱という形で持っています。気体になるというのは水分子が激しく運動している状態です。運動の激しさはエネルギーに比例します。
真空状態にして水が沸騰するわけは普段は大気圧で水分子が気体の状態になりにくくなっています。
そのため大部分は液体のままで一部の水分子が気体になっています。
沸点は気圧に比例します。そこで真空にする(気圧を下げる)と沸点が下がるので室温でも気体になります。ここで物理の話ですが、物体が運動するときどこからかエネルギーをもらわなければならないという決まりがあります。水が気体になるのにもエネルギーが必要です。ではそのエネルギーはどこから持ってくるか。まだ気体になっていない水からです。分子のエネルギーは熱。エネルギーがとられる=温度が下がるということです。気体になっていない水は温度が下がって最後に凍ります。
この説明でおわかりいただけたでしょうか。

この回答への補足

水が凝固しはじめる途中、ケース内には状態の違う２種類の水が存在するということでしょうか？
熱を奪っていく側と熱を与える側の。。
最終的に凝固したあとのケース内には気体の水は残っていますか？？
教えてください。お願いします。

補足日時：2007/05/15 12:22

この回答へのお礼

ありがとうございます！ずいぶんわかった気がします！「水分子が気体の状態になりにくくなっています。」固体→液体→気体と変化する様子が分子モデルであらわしてあるサイトなどございましたら紹介お願いします。熱の移動の様子がビジュアルでイメージできません（＾＾；；昔から算数（特に図形）は苦手でした（－－；；よろしくお願いいたします。

お礼日時：2007/05/15 09:56

No.6 回答者： ko-bar-ber 回答日時： 2007/05/14 22:39

参考までに

下記のリンクを貼っておきます

参考URL：http://www.jvia.gr.jp/j/shinkusangyo/gijyutu/shi …

No.4 回答者： ko-bar-ber 回答日時： 2007/05/14 20:23

極端に簡単に説明すると、

○　○　○　○　○　○　○　　密閉装置内の気体分子
　○　○　○　○　○　○
○　○　○　○　○　○　○
　●　●　●　●　●　●　　　ビーカー内の水分子
●　●　●　●　●　●　●


これが真空になる。つまり空気分子の数が少なくなるので
　　○　　●　　○　●　　　
　　●　　　●　　●
　●　　●　　●　　　●
　　●　　●　　　●　　●
という感じに、上から押さえつける気体分子が減ったために、水分子が自由に激しく運動できるようになり、やがて沸騰します。
液体は「分子間力」という力で結合しています。沸騰する際には、その結合を解かなければなりません。
その結合を解くために必要なエネルギーを「気化熱」といいます。
あとは、No.1、No.2さんの意見から考えて見てください。

この回答へのお礼

ありがとうございます！分かり易かったです！
その後、後急激に凍ってしまうのは何故だか教えてもらえませんか？
よろしくお願いします。

お礼日時：2007/05/14 21:43

No.3 回答者： Denkigishi 回答日時： 2007/05/14 20:15

私は日頃、温度をマクロ的にしか扱っておりませんので詳しくありませんが、あえてミクロの分子レベルでいうと、分子の運動量の総和　に相当するものと思います。

つまり、温度∝１分子の運動量×分子の数／体積　と解釈しておきます。
圧力は分子の密度（＝数／体積）に比例するので、圧力が低いと、上の式から温度が下がります。これ以上の説明は、物理の専門の方に委ねます。

No.2 回答者： Denkigishi 回答日時： 2007/05/14 18:29

ボイル・シャールの法則というのを聞いたことはありませんか。

ＰＶ／Ｔ＝一定　という式で表します。Ｐは圧力、Ｖは体積、Ｔは温度です。
この事例では体積Ｖは変わりませんので、Ｐ／Ｔ＝一定、つまり、圧力と温度は比例します。
真空ということは圧力が小さいので、この法則に従うと温度も下がるわけです。

この回答へのお礼

早速、回答ありがとうございます。
分子状態レベルで解説していただけたらうれしいです。
よろしくお願いします。

お礼日時：2007/05/14 18:57

No.1 回答者： noname#74443 回答日時： 2007/05/14 18:17

ヒント：気化熱

水が蒸発する際に元の水から大量の熱を奪います。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
気化熱。。。水で５４０カロリーでしたっけ（＾＾；；
気化熱の発生する原理をできたら教えていただけませんか。
よろしくおねがいします。（＾＾；；

お礼日時：2007/05/14 18:55