水蒸気圧の飽和

質問

多少の水蒸気を含んでいる気体を圧縮すると過飽和となり水がしみ出して来ます。
イメージはなんとなく浮かびますが、なぜなのかよくわかりません。
ご教授ください。

回答No.1

sanori · ベストアンサー

一言で言えば、
「熱運動をしていて　水⇔水蒸気　のゆらぎを持っている水が、安定点（平衡）に落ち着こうとするため」
です。

では、解説を始めます。

水蒸気圧（分圧）÷大気圧＝１　　水蒸気圧（分圧）＝大気圧

これが水の沸点です。

富士山に登ると、７０℃台で沸騰するらしいです。
それは、大気圧が下がったからです。
もっと、気圧を下げていって真空になれば、水は何℃でも沸騰します。

圧縮とは、すなわち、気圧が上がったのと同じなので、沸点は１００℃以上に上昇します。

以上が、前置きです。

では、もう一歩踏み込んでみましょう。

物質の熱運動は、必ず「ゆらぎ」を持っています。
（統計熱力学という言葉があります）

例えば、
氷は零度以下であっても、ミクロで見れば、少し融けて、また氷に戻って、また融けて、また戻って・・・・・ということを、瞬間瞬間で繰り返しています。

ところが零度を超えると、いったん融けたものが、元に戻れなくなるので、そこを融点（＝凝固点）と言います。

（氷に塩をかけると温度が下がるのは、「ゆらぎ」のせいです。瞬間的に少し融けた氷が塩を溶かし、元の氷に戻るときに凝固点降下で零度よりも低い温度で固まるからです。）

ご質問は、常温における、空気と水蒸気との混合気体のことと思いますが、

水蒸気は、やはりミクロで見れば、
水に戻って、また水蒸気になって、また水に戻って、また水蒸気になって・・・・・を繰り返しています。

そして、沸点を超える条件下では、もはや一度水蒸気になったものは、水に戻ることが出来なくなります。それは、沸点以上では、「水蒸気圧＜大気圧」とは絶対ならないからです。
何故かと言いますと、もしも、「水蒸気圧＜大気圧」になるとしたら、水蒸気は水に戻れてしまいます。
つまり、「沸点以上」というのは、「水が全部水蒸気になる」という定義から考えて、水が存在するということは、それは沸点以下ということになり、矛盾してしまいますから。

さて、
ご質問の状況では、沸点には達していません。
では、どう考えましょうか。

「飽和水蒸気量（圧）」という言葉は、ご存知と思います。
すなわち、その温度＆圧力において、
水蒸気圧＝大気圧
となるということを示す量です。

飽和状態では、ちょうど、がっぷり四つのいい勝負で、水から水蒸気になろうとする圧力と、空気の圧力（＋既に水蒸気になっているものの圧力）とが「引き分け」状態になっています。
この状態では、水が水蒸気になる速度（時間当たり蒸発量）とその逆の速度とが等しくなっています。

ところが、圧力を上げると、水から水蒸気になろうとするのに、より強い「力」が必要になります。

「力」は、ちょっと不適切な表現なので、言い換えますと、

圧力を上げた条件下では、
ゆらぎによって、水から水蒸気に変わる速度（単位時間当たり蒸発量）と、水蒸気から水に戻る速度とを比べたとき、後者の速度の方が速くなります。

【圧力を上げた瞬間】
蒸発速度（水→水蒸気）　＜　液化速度（水蒸気→水）

もしも左辺の方が上回れば、それは、「沸点」であることを意味します。
しかし、不等号の向きは逆です。
両者の戦いは、引き分けになるまで続きます。なぜならば、引き分けになら無い限り、強いほうが速い速度で進むからです。

では、引き分けになるポイントは、どこになるか？

それは、「高い圧力の下での飽和水蒸気圧（量）」になります。
それは、どのような「ポイント」になるのでしょうか。

もう一度、先程の不等式を見てみましょう。

蒸発速度（水→水蒸気）　＜　液化速度（水蒸気→水）

この戦いが始まったときの圧力が、ちょうど飽和状態で、かつ、液体の水が一滴もなかったと仮定しましょう。
すると、どうでしょうか。
右辺の変化の方が速く進むのですから、水ができます。
そして、引き分けになるまで、常に、右辺の方が勝利し続けます。

そして、やっと引き分けになり、戦いが終わったときの状態は？

両者の速度は同一になっています。
この系には、戦いの残骸として、液体の水が残るわけです。

説明は以上です。

回答No.2

moby_dick

それは蒸発と言うことの基本的なことで、非常に簡単なことです。

液相と気相があることで考えます。
液相からは水分子が常に気相に飛び出しています。
その飛び出す勢いを蒸気圧（Poとします）と言い、温度に依存します。
Poは飛び出す勢いであると同時に飛び出す（単位時間当たりの）量でもあります。

一方、気相の水蒸気はその実際の圧力（Piとします）で液相に飛び込んで来ています。
この二つの動きは常に起きています。

PoとPiの大きさが違うと、差し引きとして液化か気化が進むわけです。
温度によりPoは決まりますから、Poを基準に考えるのがいいです。

Pi＜Poなら気化が進み、Pi＞Poなら液化が進みます。

液相と気相が閉じられた空間なら、始めPiがPoと違っていても、液化か気化が進み、最終的にPiはPoに等しくなり平衡状態になります。

さて、質問の状態は始め、その温度で考えられるPoより実際の蒸気圧Piが低いので液層がなく、不飽和の状態です。
それで、気圧を高めると少し過飽和のPi＞Poとなって、液化が進むのです。