100度でなくても蒸発する水、気化について

Question

「汗をかくとそれが蒸発する際に熱を奪って体温を下げる」という話を子供にしたのですが、それよりも前に「やかんの水は100度に熱すると気化（蒸発）する」という話をしていたため、「100度でないのに何で蒸発するのか」という突っ込みをされました。勉強してこなかった罰あたりですが、わかりやすく子供に教えるにはどう答えるべきでしょうか？無い知恵を絞って推測するに、もともと水分は、周辺の空気が含むことができる許容量までは蒸発してしまう性質がある？（そういえば空気が冷えると乾燥し、暖かくなると湿気が多くなりますが、ということは99度まで気温が上がれば湿気は最高潮に膨らみ、100度になると一気に気化して、さっぱり（？）するのでしょうか？これは余談ですが）

SaySei · Accepted Answer

「飽和水蒸気圧」がポイントになります。

たとえば、コップに水を入れておきます。この時、コップの中の水は時間と共にどうなるでしょうか。これが待てない場合は、水滴を落として、時間と共にどうなるのかを見れば良いかと思います。
逆に、空気中に水蒸気（水）があること証明するためには、氷水を用意します。すると水滴がつきますよね。この水滴はどこから来たのでしょう？

というような感じで、答えを言わずに引き出す形でお話してはどうでしょうか。
大体の事象は「平均化しようとしてる」「安定しようとしている」と考えれば説明がつきます。今回の水蒸気の話もそうです。平均化しようとする動きがなければ、水面付近が飽和水蒸気量に達して安定してしまうので、例に挙げたコップの水も大幅に減ることはないでしょう。逆に、風が吹いて飽和水蒸気量から極端に離れて（つまり、乾燥して）しまえば、「飽和ししたいよう」とせっせと蒸発します（これが扇風機の前が涼しい理由です）。

参考URL：http://www.s-yamaga.jp/nanimono/taikitoumi/kukichunosuijoki.htm

chirubou · Answer

この質問で、私が中学のころ PH の大小がなんであるのか理解できなかったのを思い出しました。化学の教え方の問題だと思うのですが、定性的な表現をしているのに実際には定量的な現象であることが多いのです。

つまり、水といった水分子の集合があって、その平均的な「元気の良さ」が温度なんですが、なかには特に元気な分子が少なからずあって、それは水という集合から飛び出す、つまり蒸発したりする訳です。逆に、空気中にも水分子があって、元気がないものは、例えば水があったりするとそこに飛び込んでしまうことになります。

マクロで見れば、水がコップに入っていて、空気中の水蒸気（水分子）が飛び込む方が多いか、コップの水から飛び出すのが多いか。もしコップから飛び出す方が多ければコップの水の量は減るでしょうし、逆であれば増えます。もしも同じだったら水の量は変化しません。ここで水の量が変化しないからと言って蒸発はしていない、というのは厳密には間違いで、蒸発しているのと入ってくる量が同じなので、水の量が変わらないというのが本当のところです。

さて質問に戻って、１００度、というのは確かに水分子が水という形でいることができなくなる温度なのですが、１００度というのはあくまで平均の温度であり、水分子それぞれの「温度」ではないのです。もし、やかん内の全ての水分子が同時に１００度になったとしたら、それまでまったく蒸発する気配が全くなかったのに、突然、爆発的に蒸発することになるでしょうね。でも実際には温度があがると段々蒸発する量が増えてきますよね？氷も昇華によりやせますが、この説明も出来なくなってしまいます。

この考え方は、例えば塩が水に溶けるのは、なぜ一気に溶けてしまわない（混ぜる必要がある）のか、あるいは逆に、大きな塩の結晶をつくるにはどうすればいいのか、という現象を理解するのと共通するものがあると思います。また分子の運動を良く考えれば、なぜ気化熱という現象が生じるのかも説明できると思います。そして PH の大きさの違いも理解できるというものです。

とまあ、書いてみましたが、きっとこれをちゃんと理解したからといって科学の成績が上がる訳ではないんだよなぁ、とついつい要らぬ事を考えてしまいました。

jumbokeskusu · Answer

１気圧の下で、１００度Ｃで水は沸騰し激しく(急激に）水蒸気になるとくこと（薬缶の沸騰水は一部は水のままで残り、やがて全て蒸発してなくなります）
他方、氷(固体の水）、水(液体の水）でも、常に表面から蒸発しています。主に表面付近の温度と湿度に大きく影響されているでしょう。洗濯物を干して乾かすというのをご存知ですね。空気と接した部分からどんどん水分が蒸発して乾燥していきます。風が強いと速く乾燥するのは、洗濯物の水(水分）付近の、蒸発して湿気を帯びた空気が吹き飛ばされて、常により乾燥した空気が接するようになるからより早く乾燥するわけです。洗濯物の例が分かりやすいのでは？

なお、空気に水(水蒸気）がどれだけ溶け込むことができるか、温度高ければより多の水が溶け込みますが、これ以上溶けないというのが飽和状態です。この状態では空気はそれ以上水分を含めません。飽和状態では余分な水分が窓ガラス等に露決しやすくなります。
(溶け込むというのは分かりやすくいった表現で正式のものではありません）

larme001 · Answer

水とはH20の分子が液体の状態で安定して存在している状態です。安定、といってもそれぞれの水分子（たくさんの玉のようなものをイメージするといいかと思います）が自分の持っているエネルギーで衝突しながら動いています。それぞれの水分子の速さは平均すれば温度に比例しますが、厳密にはそれぞれバラバラです。特に速いものもいれば遅いのもいます。温度が高くなればなるほど、速いものの割合が多くなるんです。

もし、周りから何も力が加わらなければ動きまわっている水分子は瞬時にバラバラに遠くへ飛んで行ってしまうはずです。でもそうならないのは、空気と触れている部分にも力（＝大気圧）がかかっていて、それが水を水の状態に押し下げているからです。これならずっと維持できると思うでしょうが、さっきほど述べたように個々の水分子の速さはまちまちです。たまたま急に速くなったやつがいれば、それは大気圧を押しのけて空気中に飛んで行ってしまいます。これは100度以下でも常に起こっています。これを「蒸発」と言います。飛んで行ってしまうということは、その分エネルギーを失います。つまり汗が蒸発すると、体の体温（エネルギー）を持っていくのです。

100℃になったらどうなるか？水分子の平均速度が大気圧を押し返すだけの力をもつ状態になります。すると、「沸騰」がおこり、激しい蒸発が起こり始めるのです。蒸発は液体の表面からしかおこりませんが、沸騰は液体の内部からも起こります。

空気が冷えると乾燥しやすくなるのは、そのような理由もあると思います。平均温度が高ければ高いほど、蒸発も起こりやすくなるのは当然ですよね。ただ、湿度は温度と必ずしも比例関係にあるわけではないです。日本の夏は湿度が高いのでじめじめしている分性質が悪いんですがね。

w-palace · Answer

水や氷は通常、水蒸気と共存します。その水蒸気の圧力は温度とともに上昇し、１００℃において１気圧になります。つまり、水蒸気圧が１気圧になる温度が沸点であるということです。
沸点よりも低い温度でも、蒸気圧が０でない限りは水や氷は気化します。例えば常温での水蒸気圧は３０分の１から４０分の１気圧程度ですので、気化は起こります。もちろん、温度が高い方が気化は起こりやすいといえるでしょう。

tunertune · Answer

100℃になると「沸騰」しますが、水は普段から蒸発しています。
水の分子は温度が上がると元気になり、水面から飛び出していきます。
つまり蒸発します。
100℃になると、飛び出していく力が気圧に勝ってしまうから沸騰します。標高の高いところでは低い温度で沸騰するのはこのためです。

100度でなくても蒸発する水、気化について

「飽和水蒸気圧」がポイントになります。

この質問で、私が中学のころ PH の大小がなんであるのか理解できなかったのを思い出しました。

１気圧の下で、１００度Ｃで水は沸騰し激しく(急激に）水蒸気になるとくこと（薬缶の沸騰水は一部は水のままで残り、やがて全て蒸発してなくなります）

水とはH20の分子が液体の状態で安定して存在している状態です。

水や氷は通常、水蒸気と共存します。

100℃になると「沸騰」しますが、水は普段から蒸発しています。

この回答への補足

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