ドライアイスの煙のメカニズムがわからん

質問

ドライアイスを手に入れるとついつい水の中に放り込んで煙を楽しんでしまうのですが、よく考えてみると、何で煙が出るのか理由が分かりません。

水の中で暖められたドライアイスが激しく気化して泡になる。
ここまでは良く分かります。
その泡が水面まで昇ってきて破裂するときに、その中に含んだ微小な水滴が放出されるのがドライアイスの煙だと思いますが、その泡はどういう理由で微小な水滴を含んでいるのでしょうか？

回答No.8

noname#62864

＃６です。
補足にありました「気泡内の圧力変化説」は面白いですね。
そのときに、物理学的にどのような変化があるかということは、小生にはよくわかりませんが、正直なところ、二酸化炭素の気泡内の水滴の量を考えた場合に、No.6での説明だけでは不十分なような気はしていました。

つまり、泡が発生するときに、その中に多量の水蒸気を発生させる何らかのメカニズムが存在するのではないかという気がします。
このことが、「気泡内の圧力変化説」で説明できるかどうかについてはわかりませんが、興味深い着眼点だと思います。
どなたか、このあたりの物理学（熱力学になるのでしょうか？）に詳しい方が解決して下さるといいですね。

回答No.7

santana-3

＃４です。私は化学者でないので専門的な説明は出来ませんが、自分なりに考察してみると。

水中に入れたドライアイスが溶ける状態とは？

二酸化炭素が気体の三変態の様相を呈すなら、固体（ドライアイス状態）→液体状態→気体（二酸化炭素）の過程で変化すると思います。

水中のドライアイスはその温度差から沸騰状態になり気化するとなると、気化状態の手前に液化状態が発生するはずです。

私はこの液化状態時に二酸化炭素と水分が混じり合い、圧力差で二酸化炭素が膨張するときにコロイド状になると考えます。

この様に考えるとオイルの中に入れたドライアイスは、気泡は発生するが白い煙は出ない理由が説明出来ると思います。

回答No.6

noname#62864

真剣に考えると結構難しい問題ですね。

水の中に二酸化炭素の泡が発生したときに、その温度は水温に比べてかなり低いはずです。
その、二酸化炭素の泡と水の界面から多少なりとも水が気化するはずです。気化した水蒸気は、界面近くでは、水温と同程度の温度でしょうが、泡の中で冷却されるために、その温度での飽和水蒸気圧を超えてしまって、微少な水滴が生じるのではないでしょうか。
また、ドライアイス（あるいはその泡）によって、水が冷却される際に、水の蒸発という手段によって熱が奪われていることもあるかもしれません。

すなわち、暖かい水面に冷たい空気が流れ込んだときに霧が発生するのと同様に、水蒸気が発生した時点（つまり水面付近）では飽和でなくても、それが泡の中心部に行くにしたがって冷却されて、過飽和になるということではないでしょうか。

また、容器の水面では発生する泡によって、水面がかき回され、水面付近の湿度が高くなっていると考えられます。そのために、水面から出てきた二酸化炭素の冷気によって、さらに水滴（煙）が発生するのではないでしょうか。

補足

このコメント作成時点で「参考になった」が３ポイントですが、
私も参考になりました。
泡が発生する瞬間かその直後に、炭酸ガスの中に水滴が混入するのですが、そこには泡発生同時あるいは極短時間の間に炭酸ガスに溶け込んだ水蒸気が結露するメカニズムが存在するはずなんですね。
これを温度変化で説明すると、この回答で頂いたものとなるような気がします。
で、この回答に触発されて、もう一つ、気泡内の圧力変化も水滴発生を説明できそうな気がしているのですが、これに関しては如何でしょうか？

回答No.5

sandy_7729

まずドライアイスを水の中へ投入。
この時に、ドライアイスは固体から気体になりますよね。
水の熱で固体から気体なった時に、泡が出てきてその冷気で水付近の空気が結露するんです。
また水の中でも泡が白いのは。
二酸化炭素の中でも水分は霧状になって存在できます。
冷気で水の中の水分が蒸発して泡の中で存在しているので泡も白いのです。
その後浮上してきた泡の冷気で水面上の水分が結露して、霧状になります。
朝の湖の霧のすごい状態って感じでしょうか。。。

補足

ありがとうございます。
再質問ですが、「冷気で水の中の水分が蒸発して」と書いていただきましたが、冷気で空中の水分が飽和して水滴になるのは分かりますが、冷気で水分が蒸発するものでしょうか？

回答No.4

santana-3

発生する白い煙は皆さんの言う通り水滴で雲と同じ物ですが、私の見解では空気中の水蒸気では無く、ドライアイスを入れた水がコロイド状に含まれるからと思います。

サラダオイルにドライアイスを入れると白い煙は発生しませんから。

補足

ありがとうございます。
サラダオイルでは泡は透明ですか。
私は、もしかしたら水以外の液体の場合もその液体がコロイド状＝微粒子の煙状態＝で炭酸ガスの中に浮遊するのかもしれないと思ってましたので、これは新たな情報でした。
で、私の疑問は、どういうメカニズムで水がコロイド状になるのだろうか？
というものなのですが、この点に関してはどのようのお考えでしょうか？

回答No.3

kaoru-chan

ドライアイスは二酸化炭素を凍らしたもので、マイナス79度という低い温度です。

ドライアイスは「固体」から「気体」に変わります（液体にはなりません）。煙と見えるものは、ドライアイスの二酸化炭素です。もちろん低温の影響で水蒸気が冷やされ微小の水滴が煙に含まれていますね。

十分注意して！　お湯にドライアイスを入れて観察してみてはいかがですか？新しい発見があります。

参考URL：

http://tamagoya.ne.jp/potechi/2004/20041018.htm

補足

これまた１０分後の素早い回答でありがとうございます。
ドライアイス好きな私はもちろんお湯にも何度も入れてます。
そして、目の当たりにするのは、微小な水滴を中に浮かせた真っ白な泡が水中から湧き上がって来る光景です。
泡は水中で発生した瞬間から真っ白で、「水蒸気が冷やされる」という過程はどこにもないのですが・・・

回答No.2

piricara

この煙は、水蒸気は急激に冷やされてできた細かな水滴です。ドライアイスは気化(昇華というのが正しいのかな)して二酸化炭素になりますが、これは目に見えません。

補足

これまた４分後の素早い回答ありがとうございます。
＃１の回答にも書きましたが、急速に冷やされるのは既に液体の状態の水のはずで、空中の水分が結露するわけではありません。
水が急速に冷やされると何でＣＯ２の中に微小な水滴として浮遊するのかを知りたいのですが。

回答No.1

panda_

ドライアイスは冷たいので、
周りの空気中の水蒸気が冷やされて水滴になり、白く見えます

補足

2分後の素早い回答ありがとうございます。
しかし、ドライアイスの泡は水中にある段階で既に水滴を含んでいます。
まわりの空気を冷やす以前に１００％ＣＯ２の気体の状態で水滴を含んでいるので空気中の水蒸気を冷やしたわけではなさそうです。