密閉系における沸騰について

密閉系における沸騰について混乱しています。
真空ではない密閉容器に液体を入れ平衡に達しているとき、
常に、外圧＝空気圧＋その液体の飽和蒸気圧なので、
蒸気圧が外圧以上になることはできないため
沸騰しないはずなのですが
なぜ圧力鍋では沸騰するんでしょうか？

沸騰は、蒸気圧が外圧と等しくなったときに起こるんですよね？
開放系と違い、密閉系では「外圧」にその液体の蒸気圧が含まれるので
むしろ真空であれば常に「外圧＝その液体の蒸気圧」になって
常に沸騰するのか？とも思えてしまい、非常に混乱しています。

似たような質問ページを自分なりに探してみてみましたが、
納得できるものがありませんでした。
ヒントでもかまいませんので、どなたかご教授くださいませんか。
よろしくお願い致します。

質問者からの補足コメント

• ご回答ありがとうございました。
  片方をベストアンサーにさせていただくというのが
  申し訳ないため、このままにさせていただきます。
  よろしくお願い致します。

    補足日時：2015/02/10 01:09

No.2 回答者： ORUKA1951 回答日時： 2015/02/09 10:38

圧力鍋は密閉系ではありません。

錘は鍋の内部を一定の圧力に保つ働きをしています。
例えば内部が２気圧に保つ錘でしたら、それ以上の圧力になれば内部の気体が外に出て内部は常に２気圧に保たれる。
　２気圧では約１２０℃で沸騰します。沸騰を続けると内部の圧力は増大しますから、それは外に出ていく。よって内部は液体の水が存在する限り１２０℃に保たれる。

＞沸騰は、蒸気圧が外圧と等しくなったときに起こるんですよね？
　飽和蒸気圧を越えて内部からも気体が発生する状態が沸騰で、蒸気圧＝大気圧である沸点とは一致しません。

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます。
お礼が遅くなり申し訳ありません。
この錘の絵がわかりやすく、圧力鍋で混乱していたところが
すっきりできたと思います。

お二方に感謝です。。
ありがとうございました。

お礼日時：2015/02/10 01:02

No.1 回答者： 大山田花子 回答日時： 2015/02/09 05:38

準静的で完全な密閉系の場合、沸騰は起こりません。

圧力鍋で中の水が沸騰するのは完全な密閉系ではないためです。
圧力鍋は家庭で使用する調理器具ですので、あまり高い圧力には耐えられません。
そのため、一定以上の圧力になると中の気体を放出する圧力弁がついています。
高性能の圧力鍋ほど安全に使用できる圧力が高く、調理可能な温度も高く設定されています。
圧力弁を塞いでの使用は絶対にやめてください。爆発して大怪我する可能性が非常に高いので。


さて、先ほど『準静的で完全な密閉系の場合』と述べましたが、
これがどういうことなのか説明します。
その前に確認ですが、沸騰は気液界面だけでなく内部からも気化が起こる現象を指します。
そのため、『沸騰』はしていなくても気液界面からの『蒸発』は起こります。

また、準静的というのは、系が熱的平衡に至っている状態を指します。
準静的という言葉をざっくり説明しますと、系の状態が変化はするものの、
系の状態が『各相ごとにどの場所でも均一』になるように、
なおかつ『非常にゆっくり変化』する状態です。


圧力鍋は先ほど説明したように、圧力が一定以上になると気体が放出されるので
完全な密閉系ではありません。

次に例えば、完全な密閉系の温度を一気に上げる場合。
この場合、気相の圧力上昇が液相の蒸気圧に追いつかず、沸騰する場合があります。
しかしこれは、急激な温度変化であるため準静的状態とはいえません。

次に例えば、完全な密閉系の一部分に温度の低い場所がある場合。
蒸気が温度の低い部分で冷やされて液体に戻るため、その分気相の圧力が下がり、
温度の高い部分にある液体は沸騰することができます。
しかし、系の中に温度の高い部分と低い部分があるというのは均一ではないため、
やはり準静的とはいえません。

では、完全な密閉系の中に液体を入れて準静的に温度を上げた場合にどうなるかを説明します。
気液界面で液体からの気化が進行し、気化した分だけ液体の体積が減ります。
温度がさらに上昇すると蒸気として存在する割合が増えていき、
最終的には液体が全部気化して、高い圧力の蒸気で系が満たされた状態になります。
なお、条件によっては超臨界状態という気体と液体のあいのこみたいな状態になります。


次に真空中での液体の振る舞いについて。
動画があるので、『沸騰しながら凍る』でgoogle等で検索してみてください。

結論から言うと、真空中に水(等の液体)を入れると沸騰する場合があります。
ただし、常に沸騰し続けるわけではありません。
系を強制的に一定温度に保つ機構がない場合、水の気化熱で系の温度は下がります。
すると水蒸気圧が下がるので沸騰する速度は遅くなります。
そして最終的に気相中の水蒸気圧と釣り合う温度まで冷えると気液平衡に達します。
条件によっては沸騰が止まる前に0 ℃を下回って氷が生じる場合もあります。
ちなみに0 ℃以下の氷にも蒸気圧があるので、
先に凍っても最終的に蒸気圧が釣り合うまで昇華します。
系を強制的に一定温度に保つ場合でも、やはり系の温度と水蒸気圧が釣り合う所まで
液体の気化が進行し、最終的には平衡に達します。
そのため、常に沸騰し続けるなんていうことはありません。

この回答へのお礼

とても詳しいご回答をありがとうございます。
読むのに少し時間がかかってしまい、お礼が遅くなり申し訳ありません。
動画も見てみまして、理解が深まりました。
どうもありがとうございました！

お礼日時：2015/02/10 00:56