水を温めると、なぜ沸騰するのか

沸騰とは素粒子レベルで、どんな状態ですか
なぜ、沸騰するのですか

No.5 ベストアンサー 回答者： uen_sap 回答日時： 2016/01/05 15:46

飽和蒸気圧力が理解できなければ、沸騰は理解できません。

よく言われる話ですが、富士山の頂上では、地上で100℃でお湯が沸くのに80℃位でお湯が沸きます。
これは地上1気圧での飽和温度が100℃であり、富士山頂では、気圧が低いので飽和温度が下がるからです。

素粒子レベルでは何も差はありません。
熱とは何ぞや、と言うことですが、分子の運動エネルギーです。ナカナカ難しいのですが、並行運動のエネルギーではなく、分子の振動エネルギーとでも言ったらよいでしょうか？正確な言い方ではありませんが、イメジとしてこんなものです。
氷、水、水蒸気は、いずれも素粒子レベルでは同じです。
分子の運動エネルギーに差があります。氷の場合は、隣あった水分子がしっかり手をつないで、固体を形成します。
水蒸気は運動エネルギーが大きいですから、組み合った手が離れて、個々の分子がそれぞれ周囲の水分子に関係なく勝手に飛び回っている状態です。
水の場合はこの中間で、しっかり手を組んではいませんが、相互に影響を及ぼしあって、自由に飛び回れない状態です。
この状態から自由に飛び回れる状態に移行することが「気化」「蒸発」です。
気化が水の内部でも発生することが沸騰です。

これで理解できなければ、学校の先生に尋ねましょう。
飽和温度、圧力を知らない、理解できない、とすると、それらを学んだ後、質問して下さい。

この回答へのお礼

回答欄に記載ありがとうございます

お礼日時：2016/01/05 22:35

No.4 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/01/04 22:11

>なぜ気泡が発生するのかわかりませんでした

これは結構難しい話みたいです。

仮に小さな気泡が発生したとしましょう。中味は水蒸気です。
水蒸気圧は水圧と同じなので、それが平衡水蒸気圧より小さければ
気泡と水の境界面から水蒸気が供給されて、気泡は膨れあがることに
なります。

ではなぜ気泡が発生するのかに関してはよく知りません。
振動や不純物等をきっかけに発生するようです。

この回答へのお礼

丁寧に回答ありがとうございます

お礼日時：2016/01/05 22:33

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2016/01/04 17:04

沸騰ってかなり難しいのでうまく説明できないのですが、知っている範囲で。

水には平衡蒸気圧というものがあって、
水面での水蒸気の圧力が、平衡蒸気圧より低いと液体の水は気体の蒸気を放出します。
逆に、水面での水蒸気の圧力が、平衡蒸気圧より高いと、液体の水は、空気中の
気体の蒸気を吸いこみます。平衡蒸気圧は水の温度が高いほど大きくなります。

平衡蒸気圧が 1気圧になる水の温度を水の沸点といい、摂氏100度です。この温度は水圧が高いほど高くなります。

やかんなどでお湯を沸かす場合、やかんの中の水が100度近くになると
やかんの底で火で加熱された水は水圧が高いので温度が100度以上になり対流で水面へ上昇します。
このとき水圧が下がり、水圧が平衡蒸気圧より小さくなるため「気泡」が発生します。
気泡が上昇するとさらに圧力が下がるので、気泡は膨張し、かつ含まれる水蒸気も増えて
急速に気泡は成長します。

このように気泡が水中に現れ、急激に成長しながら上昇する現象を沸騰(正確には核沸騰)といいます。
実際はこんな簡単な現象ではなく、極めて複雑な物理現象なんだそうです。
それを説明できるだけの力量は私にはありません(^^;

というような説明でよいでしょうか？　外していたらすいません。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

しかし
＜対流で水圧が下がり　平衡蒸気圧力より　水圧が小さくなるので気泡が発生する。。。

すみません、なぜ気泡が発生するのかわかりませんでした

その気泡の成分は　水でしょうか？

お礼日時：2016/01/04 21:56

No.2 回答者： uen_sap 回答日時： 2016/01/04 15:53

何をとぼけて！！

ミクロの世界の話ではなく、ニュートン力学の世界で処理できます。
水が液体から気体に相変化しますが、圧力と温度には一対一の関係があります。
常温（例えば25℃）では0.0032MPaが相変化圧力になります。
したがって空気中には最大で0.032MPaの水蒸気が水液と平衡状態にて存在できます。
空気中の水蒸気分圧が例えば0.022MPaだと、0.022/0.032=0.70
即、湿度70%です。
この地球上では、一般的に大気圧0.1MPaにて覆われています。
したがって、常温25℃の水液では、大気と接している面のみで相変化が行われます。水液中での気化は周囲の圧力に負けて、すぐ潰れてしまう。
ところが液温度が上昇して100℃になると、100℃の飽和蒸気圧は丁度1気圧ですから、潰れることはありません。水液中を上昇して液面から大気に飛び出ます。
この液体中のあらゆる箇所から気化が発生することが沸騰です。
量子力学でも説明できるのでしょうが、ニュートンの方が分かり易いですね。

この回答へのお礼

回答ありがとうございます
質問はふたつあり、
①水という液体が熱エネルギーを受けるとなぜ沸騰するかと、
②水の沸騰という現象の中で素粒子レベルで何が起きているかです

①については、
飽和蒸気圧がちょうど１気圧だからつぶれずに水という液体の中で水面にかけあがりたい気に飛び出るからという回答に見えます。熱エネルギーを受けて、なぜ水が暴れだすのかです。暴れずにじっとしていてもよいのでは。
飽和蒸気圧のあたりの回答内容を私が理解できておりません。。。。

お礼日時：2016/01/04 21:51

No.1 回答者： mapascal 回答日時： 2016/01/04 14:03

http://manapedia.jp/text/1390

分子レベルの話ですね。

この回答へのお礼

ありがとうございます。
小学校のときは、熱エネルギーを加えると
分子の動きが活発になるからと　習いました

そのため、素粒子レベルでも　何か起きているのかなと。
そもそも、沸騰という現象を深く考察したことがないので
たいていの人は　そうだと思いますよ

お礼日時：2016/01/04 21:42