水は0℃で氷になり、100℃で気体になりますよね。
しかし、実際は20℃くらいでも水は蒸発してしまいますよね。(たとえば洗濯物とか)
それはどうして起こるのですか。結構詳しく知りたいです。

A 回答 (3件)

 次の質問でmezirosinjiさんは飽和水蒸気圧という言葉をつかって


らっしゃるのでこれを使って説明させていただくと、

 たとえば、20℃の時の飽和水蒸気圧は23.38ヘクトパスカルです。
これは次のようなことを意味します。

 ある密閉されたビンの中に半分くらい水が、残りは空気が
入っていて20℃に保たれていると考えてください。このとき、
水の表面では水は次々と水蒸気になっています。一方、ビンが密閉
されているので水蒸気は逃げ出す事ができないので今度は水蒸気→水
と変化するヤツもいます。ここで、空気中の水蒸気の割合(水蒸気圧
ですね。)が大きいと水蒸気→水の変化速度が速くなり反対に水蒸気
の割合が少ないと水→水蒸気の変化速度が速くなります。20℃では、
水蒸気圧が先ほど書いた23.38ヘクトパスカルの時水→水蒸気と
水蒸気→水の変化速度が釣り合います。この時の水蒸気の圧力が飽和
水蒸気圧なわけです。

 ここで、洗濯物を乾かすときの事を考えると、洗濯物を乾かすときは
風通しのよい所に干すので洗濯物から出た水蒸気は風に乗って運ばれ、
あらたに乾いた空気が次々とやってきます。ので、いつも洗濯物のまわり
の空気の水蒸気圧は低く、水→水蒸気の変化速度が勝って洗濯物は乾いて
ゆくわけです。これをもし狭い密室で干してもあるところで乾かなくなって
しまいますね。

 ところで、100℃での飽和水蒸気圧は1013ヘクトパスカル、
つまり1気圧です。したがって水を100℃まで加熱すると水の表面
だけではなく中の方でも次々と水→水蒸気の変化がおこりぶくぶくと
泡が出て来るわけです。これを沸騰といいます。

 質問文の中の、「水は100℃で気体になる」というのは実は正確
ではありません。もう少し正確に言うなら、「水は1気圧の時100℃
で沸騰する」というところでしょうか?
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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2001/02/17 23:19

蒸発とは液体の表面近くにある分子のうちで、特に運動エネルギーの大きな速い分子がたまたま外向きに運動していると、この分子が分子間力に打ち勝って液面から飛び出す事を言う。


このことを極端にした沸騰について考えてみる。
液体の温度が上がると蒸気圧が大きくなり、大気圧(1atm)に等しくなると液体の内部からも蒸発が起こるようになる。この時、液体は飽和状態にある。
洗濯物では水が液体で、気温や太陽熱が温度上昇の要因と考えるとうまく分かると思います。
参考書などを見てみると載ってますよ。一冊あると便利です。
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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2001/02/17 23:21

水は0℃以下では、分子間の水素結合でほぼ固定されますね。

温度の上昇により、分子運動が盛んになり、水素結合を壊そうとします。しかし、完全に切れず、壊れた瞬間、別の分子と水素結合してしまい、なかなか水素結合の束縛から逃れられません(液体状態;100℃未満)。温度が高くなると、水素結合をうち消す確率も増え、気体として浮遊する水分子も増えてきます。実際は、気体になる確率と、液体になる確率の両方が存在します。その確率の比は当然温度依存で、いずれは平衡状態になります。

   液体 <-> 気体

100℃以上になると、水素結合に分子運動がうち勝って気体になります。

さて、洗濯物の場合、普通締め切った所(密閉室)には干しませんよね。
これが重要で、もし濡れた服を、小さい袋に密閉しても乾きません。
つまり、開放系である必要があるのです。

洗濯物を干した場合、常温では先の平衡が起こります。
しかし、周囲の空気は拡散しているので気体から液体になった分子が洗濯物の周りから少なくなります。したがって、平衡はますます気体をつくる方向に傾き、いずれは乾いてしまうのです。

乾燥した暖かい日に、洗濯物を干すとすぐ乾くのはこのためです。
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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2001/02/17 23:19

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式で書けば、

d(Δh[昇華])/dT
 = (∂(Δh[昇華])/∂T)_p + (∂(Δh[昇華])/∂p)_T (dp/dT)
 ≒ (∂(Δh[昇華])/∂T)_p  … pが0.1MPaより低ければ∂(Δh[昇華])/∂p)_Tはとても小さいから
 = (∂(h[水蒸気])/∂T)_p - (∂(h[氷])/∂T)_p
 = cp[水蒸気] - cp[氷]
 ≒ 0

ということです(h[水蒸気]は水蒸気の比エンタルピー、h[氷]は氷の比エンタルピー、(∂h/∂T)_p,(∂h/∂p)_Tはhの偏微分)。

じっさい、三重点付近(0℃付近)では、cp[氷] > cp[水蒸気] なので d(Δh[昇華])/dT<0 となって、0℃より温度を少し下げると潜熱は0℃のときよりも大きくなります。また、100~300Kの広い温度範囲で水蒸気の比熱が一定(cp[水蒸気]≒4R, Rは水蒸気のガス定数)であるのにたいして、氷の比熱は温度が下がると小さくなります(参考文献の Table 13)から、温度が225Kより低くなると cp[水蒸気] > cp[氷] となって d(Δh[昇華])/dT>0 になるので、低温の方が昇華潜熱が小さくなります。

蒸発潜熱の場合では
http://en.wikipedia.org/wiki/Enthalpy_of_vaporization
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pが0.1MPa より低ければ∂(Δh[昇華])/∂p)_Tはとても小さい、ということを式で示すのは少し面倒なので省略します。参考文献の Table 14 にある氷の比エントロピーが p=0 とp=0.1MPaでほとんど同じであることと、∂(h[理想気体])/∂p)_T = 0 であることから、なんとなく感じがつかめるのではないかと思います。

> 低温の方が潜熱必要だとは思いますが。。。

255~225Kの温度範囲では、氷の比熱 cp[氷] と水蒸気の比熱 cp[水蒸気] がほとんど同じなので、昇華潜熱 Δh[昇華] が温度によらない値になります。

式で書けば、

d(Δh[昇華])/dT
 = (∂(Δh[昇華])/∂T)_p + (∂(Δh[昇華])/∂p)_T (dp/dT)
 ≒ (∂(Δh[昇華])/∂T)_p  … pが0.1MPaより低ければ∂(Δh[昇華])/∂p)_Tはとても小さいから
 = (∂(h[水蒸気])/∂T)_p - (∂(h[氷])/∂T)_p
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[1] 谷下市松「伝熱工学」裳華房(1986)p.311.


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