凝縮水と飽和水蒸気圧力

Question

(１)飽和水蒸気圧は(全圧？)かけらてる圧力によって変わりますか。

(２)たとえば大気圧が二倍になっても水蒸気圧は変わりませんか。また飽和水蒸気圧ではない水蒸気圧という概念がありますか。


(３)コンプレッサーの話みたいですが(私は機械ではなく水蒸気圧に関心があります)。

「圧力による飽和水蒸気量」というグラフが(ドレン｜三井精機工業株式会社の)サイトで見られます。
「飽和水蒸気量は温度が高くなると増加し圧力の上昇に伴い減少する。」
と前説して「凝縮水」の話題になります。

上記サイトのその表現はかなり不正確でしょうか。であれば校正してください。この会社独自のものではないと思われるので本件は業界的なんでしょうか。私には何が正解か分かりませんので疑問になりました。

(４)凝縮水とは何ですか。因みに私はコンプレッサーという代物が何かほぼ分かりません。


答えたいところだけで構いませんので、ご教授よろしくお願いします。

CC_T · Accepted Answer

No.７　追
う～ん。
>　飽和水蒸気量は温度が高くなると増加し、圧力の上昇に伴い減少する。
という表現は紛らわしいですね。
『飽和水蒸気量は圧力一定の場合は温度の上昇に伴って増加し、温度一定の場合は圧力の上昇に伴って減少する』という表現が分かりやすいでしょう。
質問のドレンの説明ページでは「一定量の空気の圧力を上げる」ケースではなく、「水蒸気を含む空気を沢山集めてきて圧縮する」ケースを説明しており、「集まりすぎて空中に溶けていられなくなった余分」が凝縮してドレン排出されるということを説明しているのですよねー。
先の回答であげた説明で言うと、体育館の中で子供達が走り回っているところに、さらに「外にいた子供達」を追加するケースです。

>　圧力をかけた場合、(温度上昇して)、温度が下がらないから、過飽和は絶対に成立しないのでしょうか。
そうです。
一定量の空気の体積を小さくしても（圧縮）、その際に生じる熱を外部に出さなければ凝縮は起きません。
『湿度120%』なんて事はおきないと思って下さい。

>　原典のサイトはその熱が放出された後の！凝縮水という状態変化ですよね。
>　圧力で凝縮水ではありませんよね。その放熱を除く記述はやはり良くないですね。
>　でないと色んな知識がつながりません。
機械を扱う上では計算式に当てはめるだけの知識でもとりあえず支障はないわけですけど、少なくとも学生向けの説明資料としては向かないですね。あの説明で理解できる人には、あのページの説明自体が不要ではないでしょうか(^^;

>　原典のグラフの縦軸は「１気圧における１ｍ^3あたりの飽和水蒸気圧」のような感じ
No。「飽和水蒸気圧」は圧力（単位はkgf/cm^2やPaなど）ですよ？
グラフ縦軸は１気圧１ｍ^3（かつ湿度100%）の空気が含んでいる水蒸気の量（重さ：g）を示しています。
つまり１m立法の空間にどれだけの水分があるか、ですね。
グラフタイトルに『圧力による飽和水蒸気量の変化』と書いてありますよね。各温度・圧力において、空気1立法メートル中に含まれる水分量がどれだけかを見る「早見表」として使うものです。
圧縮機を扱う人は、あのように整理した「早見表」から空中の水分量を見て取って、それを計算式に当てはめるだけで圧縮した場合にどれだけの水が排出去れるかを知ることが出来る、というわけです。

例えばこの「早見表グラフ」を使えば、
40℃で圧力6kgf/cm^2Gの空気は、最大52gの水分を水蒸気として含むことが出来る。
同じく0℃で圧力6kgf/cm^2Gの空気は最大4.9gの水分を水蒸気として含むことができる。
ということが読み取れます。

だから湿度100％で温度40℃、圧力6kgf/cm^2Gの空気を密閉容器に入れて、圧力6kgf/cm^2Gを保ったまま0℃まで冷やすと、その差（52g-4.9g＝47.1g）の水蒸気が水になって出てくるということが分かる。

※ちなみにグラフ横軸単位のGは「ゲージ圧（大気圧との差）」を示す記号。１atmは0kgf/cm^2Gです。それと、左に「1気圧下での飽和水蒸気量」という表が付いてますよね。この表はちゃんと温度が変数になっています。

>　飽和水蒸気量や飽和水蒸気圧は、温度だけで決まる、は間違いという事ですか。
>　温度変数をやめて他の変数では無理という意味ですよね。
飽和水蒸気量や飽和水蒸気圧は、温度だけで決まると言っていいです。
厳密には他のファクターもあるのですが、それによる「誤差」は極めて僅かですから、実用上何の支障もなく無視できます。

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

ORUKA1951 · Answer

ほぼ正確で特に校正の必要はないでしょう。
飽和水蒸気圧は、水固有の性質で温度【だけ】に依存します。
　⇒飽和水蒸気量 - Wikipedia( http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%A3%BD%E5%92%8C%E6%B0%B4%E8%92%B8%E6%B0%97%E5%9C%A7 )

飽和水蒸気量とは違いますよ。

水蒸気圧/飽和水蒸気圧が湿度です。

小中学校で習得済みですので高校ではさすがに扱いませんが、「何が正解か」は、それぞれの用語を正確に復習すると分かると思います。科学は国語ですから・・
　凝結水は「結露」という言葉でならなっているはずです。飽和水蒸気圧を超える水は気体で存在できませんから・・

要は、
飽和蒸気圧は水に限らず気相/液相、気相/固相間の平衡は温度のみに依存する。
飽和水蒸気量は、平衡時の気体の水の量です。

CC_T · Answer

(１)飽和水蒸気圧はかけられてる圧力によって変わりますか。
　「飽和水蒸気圧」とは、気温を因子とした”最大値”で表されるもの。　つまり、水蒸気圧はこの値を超えることがなく、余分は水蒸気の状態では存在できずに「水」になって出てくるということを意味した数字です。
例えば、水に塩を溶かす場合は温度によって塩が溶ける量が違ってきますが、ある程度以上は溶けないという飽和量がありますよね。飽和するまで溶かした場合、冷やすと結晶化した個体の塩となって現れます。塩にしろ、水蒸気にしろ、「飽和量」を超えて溶けたままでいることは出来ないのです。
水蒸気を含んでいる空気を冷やしていく場合、その温度での飽和水蒸気圧がその空気の水蒸気分圧に達したところからあとは水蒸気が凝結を始め、水滴として表れてきます。
空気の場合、その空気の持つ水蒸気分圧と飽和水蒸気量が一致する温度を露点温度と言います。
　温度 t ℃における飽和水蒸気圧[単位hPa]は、6.11×10^(7.5t/(t+237.3)により近似的に計算できます。圧力は関係しません。

（２’）また飽和水蒸気圧ではない水蒸気圧という概念がありますか。
　水蒸気分圧と言います。

(３)上記サイトのその表現はかなり不正確でしょうか。
　問題ないです。

(４)凝縮水とは何ですか。因みに私はコンプレッサーという代物が何かほぼ分かりません。
　空気温度が下がって水蒸気が水となって現れることを凝縮と言います。凝縮水とは凝縮によって現れた水です。

～～～
コンプレッサーとは、圧縮機のこと。自転車の空気入れだってコンプレッサーの一種です（充填時、タイヤの空気圧は１気圧より高いですよね）。

例えば、1気圧20℃の空気の場合、飽和水蒸気圧は約23.4hPaです。
今この空気の湿度が50%RHの場合、水蒸気分圧は11.7hPaです（湿度100％RHのときの水蒸気分圧が23.4hPaってことですから、50％ならその半分）。
　この空気を同じ温度のままで10気圧まで圧をあげた場合、水蒸気分圧も１０倍の117hPa・・・と言いたいところですが、20℃での飽和水蒸気圧は23.4hPaですから水蒸気分圧は23.4hPaを超えることはなく、余分は水になって出てきます。空気という「雑巾」を絞るような感じですね。
空気を圧縮した段階で空気の温度が上がって（断熱圧縮）飽和水蒸気圧も上がるため、もし断熱が万全であれば水が出ることはないのですが、現実の圧縮機では圧縮空気から熱が外部に逃げていきますから「空気を圧縮すると水が出る」ってことになり、圧縮機にはドレン（排水）装置が必要になるのです。

ORUKA1951 · Answer

No.1です。
　ではコンプレッサーの動作を順番を追って考えて見ましょう。その前提として、水蒸気圧について説明をしておきます。
　液体と気体の界面では常に(液相⇔気相)の間で分子の交換が起きています。水は気化する時に大量の熱を必要とします。逆に凝結するときは熱を放出します。これは液相と気相の境界でどちらから何個の分子が衝突して、相手の相に移動するかと言う単純な確率の問題です。気相から液相に移る分子数が逆のものより多ければ凝結します。それは、単純に衝突する数と、その時に熱がもらえるか、取り上げられるかということ。

(１)飽和水蒸気圧は(全圧？)かけらてる圧力によって変わりますか。
　一切関係ありません。温度(走り回る速度)に変わりがなければ、他のメンバー(窒素や酸素分子)がいくら増えても関係ないですね。

(２)たとえば大気圧が二倍になっても水蒸気圧は変わりませんか。また飽和水蒸気圧ではない水蒸気圧という概念がありますか。
　分圧と言う考え方が良いでしょう。1気圧の大気中に0.1気圧分の気体の水があったら、その水蒸気圧は0.1気圧です。2気圧になったら、0.2気圧分の水が含まれている。分圧は1/10です。気体の水の量!!!水蒸気の量は倍になります。しかし水自体の飽和蒸気圧は変わりません。
　もし、その温度で水の蒸気圧が0.15気圧だったとすると、0.5気圧分は結露します。そのため水蒸気量は変化します。

(３)「飽和水蒸気量は温度が高くなると増加し圧力の上昇に伴い減少する。」
　温度が高くなると、1.5から2気圧になると、水蒸気量は増えますね。
　圧力が増えると、分圧が高くなって余分な水は凝結して液体になりますから減ります。

(４)凝縮水とは何ですか。因みに私はコンプレッサーという代物が何かほぼ分かりません。
　(2)の説明を

コンプレッサーでは、圧縮工程で断熱圧縮によって温度が上昇します。自転車のタイヤに空気を注ぐとタイヤが暖かくなりますね。そのため、たくさんの水が気体として含まれます(水蒸気量が増える)が、いずれその温度はタンクや配管から逃げて温度が下がります。下がると飽和水蒸気圧が下がるため凝結して空気中の水蒸気量は減少します。

そのためコンプレッサーのタンクには水が溜まります。また酸素の分圧も高いため鉄が錆び易くなります。
　通常のコンプレッサーでは大きな問題になることはありませんが、これがダイビング用の100気圧とか200気圧になると大変ですから、クーラーと言う装置で冷却して水も取り除いて充填する必要があります。空気を吸うつもりが水を吸ったじゃね。
　また、スキューバダイビングの経験があるとわかりますが、とにかく喉といわず鼻といわず乾きます。水の中にいるのにカラカラになってしまう。

ORUKA1951 · Answer

＞「水蒸気はこの飽和水蒸気圧を越えて存在できない」は語弊を生じますね。
　例えば、温水に酢酸ナトリウムを溶かして冷却していくと、過飽和の状態になります。それに衝撃を与えると結晶化が始まり熱を放出します。いわゆる使い捨てないカイロ( https://www.google.co.jp/search?q=%E4%BD%BF%E3%81%84%E6%8D%A8%E3%81%A6%E3%81%AA%E3%81%84%E3%82%AB%E3%82%A4%E3%83%AD&ie=utf-8&hl=ja )ですが、その温度ではそれ以上溶解すことが出来ないために結晶核ができると結晶化を始める。飽和を超えて存在できないから・・飽和を越えて溶解していたものが結晶化する。
　飛行機雲は過飽和の空気中を飛行機が飛んだ時に排気ガスや振動で水が凝結して雲を作る。
　・・・矛盾してますか？？？(^^)

＞(平衡までの時間も知りたいですが、)存在しますよね
　触媒や核になる水滴や浮遊物の影響など・・。

＞結局、水蒸気圧の実体は何なんですかね。
　繰り返しになりますが、その境界に衝突する数の問題です。気体の状態方程式、凝固点降下、沸点上昇、浸透圧・・・すべて気体のPV=nRTと良く似た式に帰結するのは、ミクロ的には同じような仕組みだからです。

気体にはアボガドロの法則として知られているように、同温同圧同体積の気体には同じ数の粒子が含まれています。PV=nRTを変形すると、P=nRT/V ですよね。圧力は分子数と絶対温度に比例し体積に反比例する。
　気相液相の境界で、双方向の遷移が平衡になるのは、気相中のその分子(水)のnRT/Vなのですから、圧力で良いのです。

物理や化学は、すべてを統一した(屁)理屈で説明しようとするものです。それぞれをバラバラに詰め込んだのでは共通理解は難しいでしょうね。

CC_T · Answer

No.2　捕

イメージ、ですか。

気体の場合、その圧力とは気体分子が飛び回るエネルギー。壁にどれだけの勢いでどれだけの分子がぶつかっているかを表しているというイメージで良いでしょう。
分圧とは、二つ以上の気体が混じっている場合に、それぞれの気体が同じ空間に重なって存在しているイメージで考えるという事。

例えば、体育館の中に赤帽子の子供が１０0人走り回っている。これが一気圧。
子供の数が増えるか（密度が上昇）、速度が上がれば（温度上昇）、気圧は高くなる（子供が壁にぶつかる頻度、あるいはその勢いが増すため、壁にかかる力が増す）。
赤帽子の子供100人に加えて白帽子の子供100人が走り回っても同じく、全体として気圧が高くなるわけですね。
帽子の色によって、何人で１気圧に相当するかは異なってきます（体重で帽子の色分けされていると思えばいい）。

水蒸気は非常に細かい粒。水色帽子の子供一人に相当します。
水色帽子の子供は特別に磁石の服を着ていて、２人以上が同等の速度・軌道である程度まで近づくと、くっ付いて一緒に動くようになります。くっつくことが「凝縮」であり、つまり一緒に動くようになった状態が水ですね。
５人、10人と集まるほどに大きな水滴になって重くなって速度がおち、光も拡散しにくくなって目に見えるようになります。
温度が低い（走る速度が遅い）ほど、くっつく事が多くなります。
もちろん「水」の子供集団には別の子供がぶつかってくるから、新たな子が取り込まれたり、ぶつかってきた勢いで誰かがはじき出されたりもしていて、ペアを組んだらずっとそのままって事ではないです。

水蒸気の分圧が高くなると、水色帽子の子供が密集して接近して動くことが多くなります。温度が低い状態で互いに接近すると、あちこちで水になったりぶつかられて水蒸気にもどったりといったことが頻繁に起こるようになります。
飽和状態とは、常にどこかで「水」がある状態まで水色帽子の子供がいる状態であり、その時の水色帽子たちが壁にぶつかる力が飽和水蒸気圧です。

飽和水蒸気圧は温度によってのみ変化するというのは、狭い所に押し込められても複数ボールのピンボールのようにぶつかり合って反射を続けている状態では「水」状態が維持しにくいため。「臨界」まで圧縮すれば別なんですけどね。
引きつけあう力が弱くても、ゆっくり歩いている子供同士の方が、くっついて「水」の状態になりやすいのです。

CC_T · Answer

引きあう力ってのは図示しにくいですからねぇ（＾＾；

>　★確認ですが、「水蒸気は水蒸気分圧が飽和水蒸気圧を越えて存在できない」は間違いですよね。
間違いですね。
「水蒸気分圧は飽和水蒸気圧を超えない」といったところですね。
飽和水蒸気圧を「超えてしまう分」は凝縮して水になる。

>気体のない水面密着型ピストンを水面から発生する水蒸気が押し上げて気体の空間を作る様
間違いではないですけど、実際に確認するのは確かに難しい。重力ってものがありますからねぇ。
それよりも、一端が閉じた筒に水を入れて別容器の水に立てる「水柱実験」が確かめやすいですね。

１気圧は水柱高さ１０mほどに相当しますから、例えば20mの透明アクリルパイプで水柱を作る実験をすると、下の容器の水面とパイプの中の水面の高低差ができる。
この高低差が『外の気圧-パイプ上部の空間の圧力（＝飽和蒸気圧）』に相当するでしょう。
添付図では、水面を押し上げる「大気圧」と、「その温度でのパイプ上部空間の水蒸気分圧（＝飽和水蒸気圧）＋水の重さ」が釣り合った状態になります。

>　「１気圧における１ｍ^3あたりの飽和水蒸気量」
ってのは、基準単位量として導入したものでしょう。ちょっと紛らわしい書き方ですね。

CC_T · Answer

>飽和水蒸気圧を越えた水蒸気が(過渡期に)存在する
ふむ。
それは考え方でしょうね。

瞬間的に飽和蒸気圧を超えることは無いとは言えないでしょう。
分子運動がスローモーションに見えるレベルまで時間を引き延ばしてみれば、そういう時間は（刹那的にせよ）存在するケースがあるはずです。
ま、「必然」よりは「偶然」といったもので、水色帽子の子供が「たまたま」くっ付く距離や速度差にいないケースです。

１０００平方メートルの体育館の中の「10平方メートル」に限って何度も観測すれば、そういうケースも散見されるでしょう。
水色帽子の子供が同程度の密度でうろうろしているとすると、観測範囲が広くなるほどどこかで水のペアが出現する確率が高くなるわけですけど、狭い範囲に限って観測するなら、「飽和水蒸気圧を越えた水蒸気」が(過渡期に)存在することでしょう。

私にはその事実に対して何らかの意味が見出せるとは思いませんが、それが答えになると思います。

ORUKA1951 · Answer

言葉に囚われて原理を見る目が曇っているようですね。
　飽和水蒸気圧と言う言葉は、化学や物理の世界では水蒸気圧と同義、あるいは飽和水蒸気圧と言う言葉自体をあまり使いませんが、他の分野ではしばしば水蒸気圧と区別する意味で使われます。あえて、それを持ち出さなかったのはミクロ的な視点というか、そもそもの状態変化などの根本を理解されていない節が見受けられるからです。
＞ミクロ的に、飽和水蒸気圧を越えて存在できない理由や飽和水蒸気圧を越えると凝縮する原理を知りたかったです。

これには、基礎からのきちんとした積み上げが必要です。
1) 水分子の形を理解すること。sp³混成軌道の二つに水素原子核(H⁺)--プロトンが存在すること
2) 個体や液体ではその分子構造に起因するきわめて強い分子間力(水素結合)が働くこと
3) 気体はアボガドロの法則で示されるように、粒子(分子)の種類に関わらず同温同圧同体積に々数の粒子が含まれること
4) 温度とは分子運動の大きさの目安であること
5) 圧力とは、分子が壁に衝突したときに受け取る運動エネルギーの総和
6) 温度・圧力・温度の関係はこれらを計算するとPV=KT Kは定数の形になること。
　　あなたは、No.4の補足で「結局状態方程式主義で参るぞだという流儀だからですからね。」と批判されていますが、そうではありません。最終的にこの式から出発したほうが早道だから挙げただけで、完璧に理解したかったら物理・化学・物理化学のこのあたりを復習してください。

数式は横にどけておいて、気相/液相間の相変移に絞ってイメージを示しておきます。液体と気体の大きな差異は、分子間力が寄与するかしないかでしたね。液体分子と気体分子は、温度が同じでもひとつひとつの分子の持つエネルギー(熱)は異なります。100℃の湯気と100℃の水蒸気では指を突っ込んだらその熱さの違いが分かる。やかんの口に手を当ててご覧なさい(^^)透明な部分と白く煙っている部分・・温度計を突っ込んだらどちらも100℃だけど・・・私は火傷しました。
　その差は、水分子ひとつひとつが周囲の分子間力を振り切って気相に飛び出すために膨大なエネルギーを受け取らなければならないからです。逆に気体分子が凝結すると熱を放出することも体験として知っているはず。水に濡れた体で風を受けると涼しいのも、手を丸めてハァと息を吹きかけると暖かいのも、その相変化による熱の出入りでしたよね。
　科学が苦手な人は、こういう体験と知識が結びついていない!!!

この液相/気相間の出入りは温度に関わらず、零下だろうがおきています。これは、単純な統計的な問題で、その境界に存在する分子は常に激しく出入りしていますが、受け取れる熱エネルギーによって平衡が保たれている。
　★現実世界でこの理想的平衡が成り立っていることはありません★
　というのは、境界面が完全に平らな面として考えたときの値が蒸気圧なのですから・・

水滴が小さな粒子の場合は、その表面の曲率は大きなものになりますから、液相分子からの分子間力の総和は小さくなります。かわりに気体分子からの衝突は激しくなります。
○・　　小さな水滴の表面の表面の水分子・
　)・　すこし大きな水滴の表面の水分子・
　|・　平面上の表面の水分子・
　そのために、本来の水蒸気圧より余計に空気中に水分子がないと水滴は成長できません。

ここまでの話は、本当に学ぶ意欲があれば物理化学の教科書で復習すること。この様な掲示板で説明しきれる内容でも量でもありません。

最初の「他の分野ではしばしば水蒸気圧と区別する意味で使われます。」の説明です。気体になった水分子が混入している空気を圧縮していくと、水蒸気の分圧がその温度での水蒸気圧を越えても水滴が成長しない過飽和の時期を迎えます。(このときの飽和は水蒸気圧のこと)そして、さらに圧縮が続くと○・の状態でも水滴が成長する濃度になれます。このときの温度を気象学や工学関係ではあえて「飽和水蒸気圧」と区別することがあります。

この過飽和（気体中の液体、液体中の固体）、過冷却、あるいは突沸という現象すべてにおいて起きるマクロ的な現象です。「溶存大気を取り除いた清水を冷凍庫で冷やす。」「清浄なビーカーに沸石なしで湯を沸かす」「使い捨てないカイロ」・・・・どれも私は実験して来ました。
　その説明書を書いた本人じゃないので真意は分かりませんが、言いたいところを正確に読取るためには、基礎的な科学的見方は必要でしょうね。

凝縮水と飽和水蒸気圧力

ほぼ正確で特に校正の必要はないでしょう。

この回答への補足

(１)飽和水蒸気圧はかけられてる圧力によって変わりますか。

No.1です。

＞「水蒸気はこの飽和水蒸気圧を越えて存在できない」は語弊を生じますね。

この回答への補足

No.2 捕

引きあう力ってのは図示しにくいですからねぇ（＾＾；

この回答への補足

>飽和水蒸気圧を越えた水蒸気が(過渡期に)存在する

言葉に囚われて原理を見る目が曇っているようですね。

No.７ 追

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