高温水蒸気について

質問

お世話になります。
水を加熱して水蒸気にし、さらに温度を加え、７００℃くらいの高温水蒸気にしたい時、圧力はどうなるのでしょうか？
大気圧で、それが可能なのでしょうか？
圧力を上げてやらないと、水蒸気の温度はそこまで上がらないのでしょうか？それとも加熱することにより、圧力が上がって行くのでしょうか？
基本的なことですが、よく分からないので、ご回答お願いいたいたします。

回答No.4

mydummy · ベストアンサー

すいません。これは理想気体の状態方程式pv=nRTから書いたほうがいいんでしょうか？

この方程式の意味するところは、
「理想的な開放系（圧力は一定）の場合、絶対温度を2倍にすれば体積も2倍になる」
「理想的な密閉系（体積は一定）の場合、絶対温度を2倍にすれば圧力も2倍になる」

理想気体ではないから誤差があるとして、密閉した容器の中でやるとして、400K（摂氏126.85度）の水蒸気を1000K（摂氏726.85度）まで加熱するとして、方程式をそのまま使えば圧力2.5倍、誤差100%としても5倍。多めに見積もっても10倍くらい。開放容器なら体積2.5倍、誤差込みで5～10……と。
10気圧に耐えられる容器なんざいくらでもありますが、#3の言うように液相の水から加熱するとなるととんでもない圧力になることは必定。容器が耐えられずに爆発する。
開放容器を使えばいいが、外気が入り混じるし水蒸気が逃げまくってあんまり加熱できない。理論上いくら圧力が小さくても温度は上げられるが、実際はある程度閉じ込めないと加熱する装置を作れないので、体積はそのままに圧力が上がっていくほうを選ばざるを得ない。まあ用途から考えてもコックつきの開け閉めできる容器を使うことになるのだろうが、容器の主部分から延びる誘導管の部分が十分に長ければ、水が蒸発しきった瞬間にコックを閉じれば10倍程度の圧力増加ですむかもしれない。

以下は「本気でやろうとしていたわけではない、知識として知りたかっただけ」なら読み飛ばしてください。

1000Kまで加熱するなら（準）開放系ではきついだろうから上記のような方法を取ることになるのだが、#2のお礼に書かれている程度の理解で安全な実験装置を設計できるか大幅に疑問ですよ。#3氏同様心配です。コックを使わないなら、1000Kまで耐えられて水蒸気の空密も保てて噴出するまでに1000Kの温度を保てて10倍以上の体積・圧力増加を吸収できる容器ですよ。設計できます?

安全のためにかなりきつい言い方をしますが、自由研究の題材にするには絶対無理。大学生だとしたら勉強が足り無すぎ。教師だの科学教室の講師だのだとしたら間違いなく失格。
理科室にあるようなガラス管なんて家庭用ガスコンロで加熱しただけでも溶けますよ？加熱容器が何度何気圧まで耐えられるか確証持っていえます？
あなた自身の安全と周囲の人の安全を考えると、今の質問者のレベルでこのような実験をやるのはお勧めできない。

不躾な言い方でしたが、念のため書きました。失礼しました。

お礼

ご回答ありがとうございました。
大変参考になりました。もちろんこの程度の知識で、自分でやるつもりはありません。ご教示、ありがとうございました。

回答No.7

tshot

再びＮｏ６です。
資料を見てきましたところ、水の臨界点は３７４．１５℃、圧力２２．１２ＭＰａでした。ですからこれ以上の温度では高い圧力をかけても液相が存在しませんし、逆に大気圧でも水蒸気として存在できます。
tnkhrsさんはどのような目的でこのような高温が必要なのでしょうか？

回答No.6

tshot

水蒸気は大気圧下で加熱蒸発させると１００度Ｃで蒸発します。これ以上の温度の水蒸気温度が必要な場合は容器にフタをして加圧下で蒸発させます。上記はボイラー（圧力鍋）の原理です。温度と圧力の関係はＪＩＳＺ－８８０６の附表に飽和蒸気圧表として示されています、現在手元に資料がないので７００度もの高温まで表があるかは不明です。お急ぎのようなので、今手元の資料からでは３００℃の場合８．６ＭＰａとなっています（＝８７ｋｇ／ｃｍ２）
発生した水蒸気をさらに熱交換器で加熱すれば、前の回答者の方々の回答によるボイルーシャルルの法則によります。

以下はmydummy様と同様のことですが、私は機械設計の仕事をしていますが、上記の温度・圧力は想定外の高温・高圧です。
一例を言えば封し用ガスケットの材料もつかえるものが限られてきます、一般的なゴムや樹脂が使えないのです。また容器の構造も（内容積によりますが）ＪＩＳの規定に従って充分な安全率をもって設計をする必要があります。mydummy様の御指摘を考慮くださるようお願いいたします。

お礼

ご回答ありがとうございました。
大変参考になりました。

回答No.5

pen2san

温度と圧力の関係（理想気体の状態方程式pv=nRT）は密閉容器での話しで、開放容器の場合は水蒸気温度はその水蒸気が置かれている温度になります。極端に温度が高いと水素と酸素が分離しH2Oの状態を保てなくなります。

よく間違われるのは、１気圧における水の沸点が１００度なだけで、発生した水蒸気の温度は周囲の温度となります。例えばバーナーで熱した２５０度のフラスコ内にある水蒸気は２５０度ですし、例えば気温３５度（真夏の日本の気温？）の大気中に含まれる水蒸気の温度は３５度です。（日本の真夏が蒸し暑いのはこの水蒸気の量が多い為です。）。北極の気温はマイナス数十度ですがその空気に含まれる水蒸気の温度は勿論マイナス数十度ですよね。

お礼

ご回答ありがとうございました。
基本的なお話し、大変参考になりました。

回答No.3

noname#62864

加熱に関しては、No.1およびNo.2のご回答の通りだと思います。
圧力に関して心配なさっているようですが、水蒸気を加熱すれば、当然温度が上昇しますし、常圧に近ければ、臨界に関する心配も不要だと思います。

ただ、密閉系での加熱を想定しておられるのでしたら少々心配です。補足を拝読しますと、もしかすると、こちらのことが重要なのではないかと思います。
つまり、水が１気圧で気化するときにその体積は1000倍以上になります。しかも、温度上昇に伴って体積も増加していきます。
たとえば、1モル（18グラム）の水が、１気圧で700℃になれば約80リットルの水蒸気になります。仮に、0.5気圧であれば、その倍の160リットルになります。
また、容器内に密閉してしまいますと、著しい圧力上昇を伴いますのでかなり危険だと思います。たとえば、1リットルの容器にわずか18グラムの水を入れただけでも、700℃では80気圧以上になってしまいます。

お礼

ご回答ありがとうございます。
密閉系での加熱は考えておりません。体積増加の件は、勉強になりました。

回答No.2

パんだ パンだ（@Josquin）

大気圧で可能だと思います。圧力が低い方が容易に達成できます。

圧力が高くなると、臨界状態という液体と気体の区別がつかない状態になりますので、普通の「水蒸気」ではなくなってしまいます。

参考URL：

http://www.tokai.t.u-tokyo.ac.jp/public/lab/beam/scw2/first.html

お礼

ご回答ありがとうございます。
圧力が低いほうが、高温水蒸気になりやすいということですね。
たとえば、容器の中に水を入れて、その容器を加熱していき、発生した水蒸気が７００℃まで上がったとき、どれくらい容積が膨張するのか、膨張は、温度を上げていくとどこまで進むのか、このあたりがわかればお教えいただけますでしょうか。

回答No.1

nayu-nayu

やった事はありませんが、可能だと思いますよ。

フラスコで水を沸騰させ、先端に長い金属管を取り付け
金属管を強力ガスバーナーで加熱

金属管から出てくる水蒸気に紙を近づけると燃えるという実験もありますので。

お礼

ご回答ありがとうございました。
実験例、参考になりました。