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豆知識

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Q1.蒸気について その1

やかんで水を沸かすとやがて水が沸騰し、湯気が出てきます。噴き出している湯気を見ると、噴き出し口の近くでは透明で少し離れたところから白くなっていますが、このうちの無色透明な部分が水を加熱することで発生した水の蒸気(気体)です。
一方、白い部分は、この蒸気が冷やされて、相変化した水(液体)の細かい粒子で、光が散乱して白く見えるものです。このように物質は熱などのエネルギーを与えたり、奪ったりすると固体、液体、気体に変化(相変化といいます。)します。
(一般に蒸気は常温で液体であるものの気体なので、いろいろな蒸気がありますが、一般に、単に蒸気という場合は、水の蒸気(水蒸気)のことです。)

Q2.蒸気について その2

最近は、冷房の普及、マンションの増加などで見かけなくなりましたが、昔は、夏の夕暮れ時に玄関先で打ち水をしている光景がよく見受けられました。
では、なぜ打ち水をするのでしょうか。
打ち水をすると涼感を得られるという気分的なものもありますが、実際に気温は涼しくなります。それは、まかれた水は大地から熱を与えられ、水蒸気になりますが、同時に、大地は水に熱を奪われ温度が下がるので周りの温度も下がるのです。このように水は大気の温度でも蒸発します。それでは、やかんでの蒸発のメカニズムはどのようになっているのでしょうか。

水は分子の集まりですが、熱を得ると分子の動きが活発になり温度が上がります。水の温度が高いほど分子の動きがより活発であるのです。さらに、分子の動きが活発になると分子は水から飛び出します。やかんから盛んに蒸発しているとき、やかんの中の湯の温度は100℃です。大気圧(1気圧=0.1MPa)において、水が沸騰し、蒸発が盛んに起こる温度を100℃と定義したのです。
それでは、やかんに水を入れて加熱してみましょう。水の温度が高くなってきますと、湯気が見られるようになります。湯気は、先に述べたように細かい水滴です。水温が100℃になる前でも水は蒸発し、冷却されて水滴になっているのです。さらに、加熱すると泡が出てきます。最初に出てくるこの泡は水中の空気です。その後、泡が出てきては消える状態がありますが、これはやかんの底で水蒸気ができて、やかんの底を離れ、水中を上昇する間に冷やされて水に戻るからです。充分に水が温まると、水蒸気は消滅することなく水面に達するようになり、加熱を続けると次第に泡が多くなり、やかんの口から勢いよく噴き出すようになります。このとき加熱している熱エネルギーは分子が飛び出すエネルギーにすべて使われますので、水は沸騰、蒸発し、やかんに残っている湯にはエネルギーは蓄積されません。
このように沸騰したときの湯の温度は一定になり、先に述べましたようにこの温度を100℃と決めたのです。

Q3.蒸気について その3

大気圧より高い圧力の状態で水を加熱すると、水が沸騰する温度は100℃より高くなり、大気圧(1気圧=0.1MPa)より低い圧力だと100℃より低い温度で沸騰します。圧力なべは、内部を大気圧より高くなるようにして、水が大気圧のとき沸騰する温度より高い温度で沸騰するようにしたものです。
特に、大気圧が低い場所(標高の高い山の上など)でご飯を炊くときなどは、圧力なべを使うことで、低地と同じように高い温度で沸騰させることができ、ご飯を美味しく炊くことができるのです。

Q4.蒸気について その4

水にかかる圧力が0.5 MPa(ゲージ圧)のときの沸点は、約159℃です。
そして、そのときの熱湯と蒸発した水蒸気は共に約159℃になります。
沸点にあるときの熱湯のことを飽和水といい、発生した水蒸気のことを飽和蒸気といいます。

Q5.蒸気について その5

例えば、159℃の飽和水は、0.5MPa(ゲージ圧)の下で液体として存在していますが、例えば、容器の蓋が外れた場合のようにこの状態から急に圧力が下がっていたとすると、どうなるのでしょうか。
それは、蒸発を押さえつけていた圧力が下がることで飽和水はすべて蒸気になり、体積は急膨張します。つまり、飽和水の中に蓄えられているエネルギーが蒸気という形で外部に放出されたことになります。
このような莫大なエネルギーを有する飽和水(液)を保有するボイラーや第一種圧力容器が損傷し、蒸気が吹き出すようなことになれば、爆発が生じたように付近の物を破壊するようなことになります。そのようなことにならないようボイラー等に対して労働安全衛生法において規制を設けているのです。