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質問です。
「飽和蒸気圧が大気圧と等しくなると、液体内部に蒸気の微小な気泡が生じても
それがつぶされずに成長し、大きな気泡となって大気中に飛び出すようになる。
これが沸騰と言う現象である。」

と教科書に書いてありますが、ちょっと引っかかるところがあります。
それは・・・
飽和蒸気圧って、気圧平衡であるときの蒸気の示す圧力なんですよね??
気圧平衡って、見かけ上、凝縮も蒸発も起こらない状態なんでよね??
なんかおかしいような気がするんですが・・・

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A 回答 (5件)

飽和蒸気圧は平衡状態が実現しているときの圧力です。


沸騰現象は平衡が実現していないからこそ起こる現象です。
この食い違いに対しての質問ですね。

これまでの回答には「100℃では沸騰は起こらない」と書かれています。ならどうやって沸点が100℃と決まったのかが問題になります。沸騰の実現と沸点の決定とは別のことだと考えるほうがいいでしょう。飽和蒸気圧の測定は平衡状態で行われます。その値が1気圧になる時の温度を沸点とするのであれば沸騰現象の起こっているところに温度計を突っ込んで沸点を測るよりも精度の高い決定が出来ます。
物性定数の1つとしての沸点は平衡を前提としたものでないと精度がでてきません。温度の測定も平衡状態が前提です。

沸騰現象が実際に起こっている場合の温度がこのようにして決めた沸点とどれだけ異なるかは実験条件によって変化するでしょう。
泡の内部の蒸気の圧力が(液体上面に掛かる圧力+液圧)を越えなければいけないと言うのは力学的な要請です。いつも成り立っています。
液体上面に接している蒸気の圧力が飽和蒸気圧であるとは限りません。泡の内部の蒸気圧は飽和蒸気圧としていいでしょう。液体の温度をt℃とすればt℃の飽和蒸気圧です。この飽和蒸気圧が(液体上面に掛かる圧力+液圧)を越えているはずです。
質問文中の
>「飽和蒸気圧が大気圧を越えると、液体内部に蒸気の微小な気泡が生じてもそれがつぶされずに成長し、大きな気泡となって大気中に飛び出すようになる。これが沸騰と言う現象である。」
と書かれている内容はこのことに対応します。(#3にある指摘にしたがって「等しい」を「越えると」に書き直しています。)

液圧の部分は深さを浅くすれば影響を小さく出来ます。でも10cmの水で0.01気圧の影響がでますからこれくらいの幅は見込まないといけないことになります。

液体上面に掛かる圧力を一定に保つのも難しいです。生じた蒸気がたまれば圧力は上昇します。加熱によって空気の温度も上がります。
液体の全体を一様な温度にコントロールするのも難しいです。

実際の沸騰での沸点の測定では精度を出すのが難しいはずです。

生じた蒸気がたまるように容器を密閉すれば沸騰は起こらなくなります。
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気圧平衡


→気液平衡

気液平衡状態では、蒸発速度と凝縮速度が等しくなっているので、見かけ上蒸発も凝縮も起こらない状態ですから、液体内部に蒸気の泡が発生することはありません。蒸気の泡が発生している間は平衡ではなく、蒸気の泡が発生しなくなったときの蒸気圧がその温度(飽和温度)における飽和蒸気圧です。

http://zgkw3.mse.kanagawa-it.ac.jp/jikken/jkn2/h …

この状態が続くのは、温度、圧力が一定に保たれているときです。温度圧力が変化すれば、それに応じて平衡状態も変化します。温度が上がれば、蒸発が進んで蒸気圧も高くなり、新しい平衡状態に移行します。

大気圧下で液体を加熱すると、次第に温度が上がり、蒸気圧も大きくなり、やがて沸騰が始まります。このとき、液体内部と泡の温度は、液体の深さに相当する静水圧が加わるために、大気圧101.3kPaでの沸点とされる100℃より高く、泡の圧力は101.3kPaより大きくなって、新しい平衡状態に移行しようとします。新しい平衡状態に達しなければ、沸騰が続きます。

教科書の記述は、沸騰の説明で、気液平衡の説明ではありませんが、「飽和蒸気圧が大気圧と等しくなると」→「蒸気圧が大気圧より大きくなると」と訂正した方がいいんじないかな。
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平衡というのは、『見かけ上』、凝縮も蒸発も起こらない状態というのは正しいですが、それよりも、両方の速度が同じ状態と考えた方が良いと思います。


ですから、液体内部に『蒸気の微小な気泡が生じても』、それと同じ量の蒸気が液体の戻るのであれば平衡は成り立っていることになります。
ただし、現実には「飽和蒸気圧が大気圧と等しくなると、液体内部に蒸気の微小な気泡が生じても~」 というよりも、「飽和蒸気圧が大気圧を超えると~」とした方が適切だと思います。つまり、加熱の過程で液体の一部において温度が沸点を超え(飽和蒸気圧が大気圧を超え)て、沸騰が始まるということです。
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実際には沸点では「沸騰は起きません」(笑


と言うのは、
>液体内部に蒸気の微小な気泡が生じてもそれがつぶされずに成長し、…
と言う「言明」は正しくないのです。
表面が凹の場合、蒸気圧は平面より「小さく」なり、凸面では大きくなります。そのため、飽和蒸気圧が外圧に等しくなった点では液体内部の泡(当然凹面しかない)での蒸気圧は外圧より小さいのです。
それが突沸が起きる理由であり、沸石が必要な理由でもあります。
沸騰は#1のお答えにあるように「動的平衡」ないし「定常状態」と呼ばれる現象ですので、熱供給が続かなければ生じません。
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気圧平衡ということばがあるのかどうかは知りませんが、平衡状態とは、確かに変化をせず均衡を保った状態です、環境に変化がなければですが。



質問の場合入熱が継続していますので、環境に変化がありますので、平衡状態ではありません。
蒸発天での相の平衡状態とは変化しないということではなく、どちらも起こりうるということです。
熱を加えれば、同じ温度で気相への変化が続きますし、熱を取り去ると、液相への変化が継続します。
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