水の温度変化。

質問

化学の夏期課題をやっていてさっぱり分からない問題がありました。
解答は手元にあるのですが、読んでもいまいち分かりません。
分かりやすい解説（高２レベル）をお願いします。

１．
断熱容器の中で８０℃の水１００ｇと０℃の氷１００ｇを
混合したときの水の温度は４０℃か、４０℃より高いか、４０℃より低いか。
↓
私は４０℃だと思ったのですが、解答は４０℃より低いでした。
解説には熱量のことが書いてあるのですが、よく分かりません。

２．
断熱容器に１００℃の水蒸気を入れて加圧していくとどうなるか。
（ア）何も変化はない。
（イ）１００℃の水が生じる。
（ウ）１００℃よりも温度が高い水が生じる。
（エ）１００℃よりも温度が低い水が生じる。
↓
私はウだと思ったのですが、なんせ勘なので根拠は全然ありません。
解答もウで答えとしては正解なのですが、
「１００℃よりも温度が高い水」が存在するのかどうか疑問です。

３．
断熱容器に冷水を入れてポンプで排気するとどうなるか。
（ア）何も変化はない。
（イ）水は沸騰するが、水温は変わらない。
（ウ）水温が次第に上昇し、やがて沸騰する。
（エ）しばらくすると沸騰し、そのうち容器内の水は凍る。
↓
私はウにしたのですが、２と同様、勘なので根拠なしです。
解答はエでした。
「ポンプで排気する」ことの意味がよく分かりません。

分からないことだらけですが、１つでも分かれば教えて下さい。

回答No.5

rei00 · ベストアンサー

皆さんの回答で充分なのですが，私にも回答させて下さい。

【１】
　８０℃の水１００ｇと０℃の水１００ｇであれば，真ん中の４０℃になります。しかし，０℃の氷はまづ０℃の水になった後，温められます。一方，８０℃の水は０℃の氷を溶かした後，冷やされます。
　つまり，８０℃の水と０℃の水を混ぜたときに比べ，８０℃の水は０℃の氷を溶かす分だけ多くの熱量を奪われ，０℃の氷は０℃の水になる分だけ少ない熱量しか温度上昇に使えません。
　したがって，混合後の温度は４０℃以下になります。

【２】
　断熱容器に１００℃の水蒸気を入れて加圧していったときに，温度は上がるのでしょうか。水が生じる事は間違いないと思いますが，１００℃の水になるような気もしますが。どうなんでしょうか？

【３】
　ポンプで排気する事は，気体分子をどんどん取り除いていく事です。逆に気体分子の立場から見ると，占めている体積が増加する事になります。
　つまり，ポンプで排気する事は断熱膨張させている事になります。断熱膨張させると圧力は下がって水の沸点も下がりますね。結果，沸騰が起こる。沸騰すると，気化熱が奪われて，水温が下がり，水が凍ります。

お礼

１番の解説、すごく分かりやすいです。
私の手元にある解答には
（私にとっては）難しい熱量の計算式が載っているのですが、
さっぱり意味が分からなかったもので・・・（＾＾；
ありがとうございました。

回答No.1

inorganicchemist

＞１．
０℃の氷と０℃の水はもっている熱量が違いますよね。
融解熱の分だけ。

＞２．
大気中で水が１００℃で沸騰するのはその温度での
蒸気圧が外圧に等しくなるからですね。
外圧が大気圧よりも大きければ、その外圧とおなじ蒸気圧を
示すようになるまで液体として存在するでしょう。

＞３．
おそらく２．の逆を考えさせたいのでしょう。
外圧が下がると考えればよいのでは。
冷水のもつ蒸気圧よりも外圧が低くなればその時点で
沸騰し、そのときの気化熱で残っていた液体が凝固するのでしょう。

お礼

なるほど！
よく分かりました。ありがとうございました。