乾燥ってどういうこと？

質問

ふと、疑問に思いました。
水の沸点はざっくり１００℃。
沸騰すると水蒸気＝気体に変化して、液体ではなくなりますよね？

で、思ったのですが、どう考えても気温は１００℃を超えていないのに、
なんで洗濯物が乾き、水溜りが消え、コップの水は減るのでしょう？

自分なりに考えてみたのですが、

仮説１．１００℃を超えなくても、時間をかけて「１００℃分」の熱量を吸収すると、分子の動きが活発になって空中へ飛び出していく。
（密閉容器に入れていても、１００℃を超えるというのは聞いた事が
ない・・・１００℃を超えなくても蒸発するの？）

仮説２．実は温度と関わり無く、なんというか空気と水の「ちょうどいい」バランスがあって、それが極端に崩れた状態が川や海である。ほっとくと、ちょうどいい安定した状態に戻ろうとして、空気中になじんでゆく。
（その場合、なにがきっかけとなって水を空気中に引っ張っていくのか？水素は酸素とくっついて水になってしまっているわけだから、空気中の酸素とくっつく訳にもいかないし・・・？）

と、とりとめがなくなってしまって、どうにもわかりません。

お暇な方でわかりやすく教えてくださる方がいらっしゃったら、
よろしくお願い致します。

回答No.5

ht1914 · ベストアンサー

既に書かれている内容とダブるところがありそうです。

＞１００℃を超えなくても、時間をかけて「１００℃分」の熱量を吸収すると、分子の動きが活発になって空中へ飛び出していく。

液体表面から分子が気体になって飛び出していくというのはどの温度でも起こっていることです。１００℃というのは沸騰の温度です。沸騰と蒸発とは別の現象です。

液体表面から気体になって飛び出していくためには周りの液体分子との間の引力（分子間力）を断ち切らなければいけません。これに必要なエネルギーが気化熱（蒸発熱）です。
蒸発熱は温度によって変わります。０℃の時と１００℃のときでくらベルト０℃の時の方が大きいです。温度が高くなっているともうある程度揺すられていますので結合が緩くなっています。飛び出していくために必要な余分のエネルギーは少なくていいことになります。

沸騰と蒸発との違いは液体内部で泡が生じるか生じないかです。
蒸発は液体表面から気体になって飛び出しく現象です。沸騰では表面から気体になって飛び出していくだけでなく液体内部に気体の塊（泡）ができます。
この泡の出来る条件が１気圧の場合、１００℃であるということです。周りの液体を押しのけて空間を作らなければいけません。この空間を蒸気が満たします。泡が潰れない条件は泡の中の蒸気の圧力が液面にかかる気体の圧力よりも大きいと言うことです。飽和蒸気圧が１気圧になる温度として沸点が決まります。標準沸点といいます。液面にかかる圧力を小さくしてやれば泡が出来やすくなります。低温で沸騰します。

＞密閉容器に入れていても、１００℃を超えるというのは聞いた事がない

密閉容器に入れておくと蒸発によって生じた蒸気が逃げません。圧力は空気の分と蒸気の分の和になります。常に液面にかかる圧力は飽和蒸気圧よりも高いことになりますので沸騰は起こらなくなります。どんどん蒸発していくだけです。圧力釜などではある圧力のところで弁から気体の逃がしますから１００℃よりも高い温度で沸騰が起こります。やかんでお湯を湧かす場合でもふたがあるか、ないかで沸点が変わることになります。

＞その場合、なにがきっかけとなって水を空気中に引っ張っていくのか？水素は酸素とくっついて水になってしまっているわけだから、空気中の酸素とくっつく訳にもいかないし・・・？

蒸発は水の分子が空気中の何かに引っ張ってもらって飛び出していく現象ではありません。水の中の分子が周りとの引力を断ち切って飛び出していく現象です。周りに空間があれば必ず起こります。温度が低いとそういう特別に大きなエネルギーを持った分子の数の割合が小さくなりますので蒸発は弱くなります。氷でも弱いですが気体が出ます。この場合は「蒸発」といわずに「昇華」と言います。
周りに空気のない真空でも蒸発は起こります。液体とその液体の蒸気との間の平衡が実現するまで起こります。

お礼

詳細な回答ありがとうございます。

「分子間力」というキーワード、なんとなく思い出しました。
人に説明できるほど明確に理解しているわけではありませんが・・・。
おかげさまでだいぶ模式図がイメージ出来るようになってきました。

卵が先かニワトリが先か、などというわけでもないのですが、
温度が高くなると分子の運動が活発になって結合がゆるくなる、
という言い方が出来る反面、分子の運動が活発になったから、
その運動エネルギーが熱エネルギーに変わって温度が上昇する、
ということも言えますよね？

えーとつまり、分子の運動を活発にするエネルギー（源）と、
温度を上げるエネルギー（源）は同じもので、それは常に
外から与えられるものと考えて良いのですよね？

とすると、充分な容量を持ち、絶対零度に保たれた真空の容器に密閉
された氷があると仮定して、この場合には分子が運動していない
（最近の研究ではそうでもないらしい？）ので、昇華は起こらない、
という理解で良いのでしょうか。

＃２さんに提示していただいた飽和水蒸気圧のグラフは、摂氏０度ではなく、
華氏０度で圧が０ｈｐａになるということなのかな、と。

間違ってますでしょうか？

回答No.4

Ichitsubo

念のため、勘違いをただしておきたいところがあります。

100℃の液体の水と100℃の気体の水は同じモノではないのです。
100℃の液体の水も一定以上のエネルギーを持っていないと、100℃の気体の水にはなれないのです。

次に、沸騰と蒸発は別の概念です。
蒸発というのは洗濯物が乾くように、液体が次第に気体に変化することを言います。蒸発は液面でしか起こりません。沸騰とは蒸発のうち特殊な物を言い、液体の内部からも気体へと変化が起こる現象です。
この沸騰が起こる理由については#2sanoriさんが詳しく説明をされています。

お礼

回答ありがとうございます。
おかげさまで、沸騰と蒸発の違いについては理解しました。

＞100℃の液体の水と100℃の気体の水は同じモノではないのです。
＞100℃の液体の水も一定以上のエネルギーを持っていないと、100℃の気体の水にはなれないのです。

この部分、まだ勘違いが抜けていないのか、理解しきれないのですが、
こういうことでしょうか？

１００℃を超えても液体の水が気化しない場合はあるし、逆に
１００℃に達しなくても液体の水が気化する事もある。
液体の水が気化するためには圧力（一定以上のエネルギー）が必要で、
必要な圧力は既に存在する気体の水の割合と、温度によって変わる。

それともまだ勘違いしてますでしょうか？

回答No.3

rukuku

はじめまして

仮説１も仮説２も、ちょっと違います。
でも、全く見当外れではないと思います。
なお、以下の説明では「水は１００℃で沸騰するというのは１気圧の下において」という前提で話を進めます。（気圧が変われば水が沸騰する温度も変わりますので。）

仮説１について
＞「１００℃分」の熱量
実際には、「１００℃」といっても、分子一個一個が持つエネルギーは同じではありません。
同じ温度でも、大きなエネルギーを持つ分子と、小さなエネルギーしか持たない分子とがあります。そして温度が上がると、大きなエネルギーを持つ分子の割合が増えます。

１００℃以下の温度でも、空気中に飛び出していけるだけのエネルギーを持った水分子があります。それらの水分子は気体になり、空気中に飛び出せるだけのエネルギーを持たない水分子は液体のままでいます。

１００℃になるとほとんどすべて（完全に１００％ではありません）の分子が空気中に飛び出していけるだけのエネルギーを持ちます。

「空気中に飛び出していけるだけのエネルギー」を持つ分子の割合は１００℃前後のほんのわずかな温度で急激に変化します。そのために、１００度以下では液体だった水が１００℃を超えた直後に急に水蒸気になり始めます。これが「沸騰」です。

参考：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B8%A9%E5%BA%A6#.E6.B8.A9.E5.BA.A6.E3.81.AE.E7.89.A9.E7.90.86.E5.AD.A6.E5.8F.B2

仮説２について
＞温度と関わり無く、なんというか空気と水の「ちょうどいい」バランスがあって
空気と水ではなく、“液体の水”と“気体の水(水蒸気)”の間には“「ちょうどいい」バランス”というのはあります。そして、その“「ちょうどいい」バランス”は温度によって変わってきます。０℃から温度が上がるにつれて“「ちょうどいい」バランスは”気体の水（蒸気）が多い状態へとシフトしていきます。従って空気中の水蒸気量は温度が上がるにつれて増えていきます。１００℃になるとほとんどすべての水が気体になるのが“「ちょうどいい」バランス”になります。

２通りの説明をしましたが、実は２つとも同じ「マクスウェル分布」という原理に基づいています。

お礼

参考ＵＲＬの、「温度はあくまでも統計的なもの」という説明で、
ぐっと理解が深まりました。ありがとうございます。

回答No.2

sanori

どっちの仮説が正しいかというと、どちらも正しくないですけれども、
しいて言うならば、仮説２のほうが正解に近いです。

水と空気の両方がある系では、常に、
（ア）水が水蒸気になろうとする
（イ）水蒸気が水に戻ろうとする
の両方が絶えず起こっており、互いに"喧嘩して"います。
空気の圧力は常に１０００ヘクトパスカルぐらいですが、
温度が１００℃以上になると、（ア）の圧力が１０００ヘクトパスカル以上になり、
水が水蒸気になる圧力が空気の圧力を押しのけて、すべての水が水蒸気になります。
それを沸点と言います。

しかしながら、１００℃以下であっても、（ア）の圧力はゼロではなく、
ある中途半端な値になります。（下のグラフを参照）
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%94%BB%E5%83%8F:Sativaporpressurecurve.png
常温では、３０ヘクトパスカルぐらいあります。
これを（飽和）水蒸気圧と言います。
水がどんどん蒸発して、空気中の水蒸気圧が３０ｈＰａに達したとき、
湿度が１００％となり、蒸発が終了します。
（しかし勿論、上述したとおり、（ア）と（イ）が押し合っていますので、本当は「終了」ではありません。）
このとき、３０ｈＰａを「飽和水蒸気圧」と言います。
空気中の水蒸気圧が飽和水蒸気圧３０ｈＰａに達していないとき、
新たに水が水蒸気がなる余地があるので、まだ蒸発は続き、
３０ｈＰａになったところで、空気と水蒸気の圧力（分圧）がバランスします。

つまり、常温では、湿度１００％のとき
・空気全体の圧力　＝　約１０００ｈＰａ
・空気中の水蒸気の分圧　＝　約３０ｈＰａ
・他の気体（窒素、酸素等）の分圧　＝　約９７０ｈＰａ
です。

お礼

回答ありがとうございます。
回答を読みまして、湿度というものについても
改めて理解を深めることが出来ました。

自分がわからないのは、おっしゃるところの
「水が蒸気になろうとする圧力」のその源は何か？
という点と、もうひとつ、どのくらいのエネルギーが
あれば空気中に飛び出すことができるのか？という
２点だということが整理できたのですが、特に後者の
「どのくらい」という部分については「すでに大気中に
どのくらいの割合で水分が存在しているのか？」という
条件に大きく左右されるということがわかりましたので、
もうちょっと条件を限定して考え直してみたいと思います。

回答No.1

toranekosan222

水の沸点は100℃です。

仮説１も２も実は正しい答えだろうと思います。このへんの分子論敵な証明が実際に科学的になされているかは別として（されていない可能性が高いかな、それともされているのかな？調べないとわかりません）。

まず、仮説２は蒸気圧平衡という言葉を聞いたことがあると思いますが（検索すれば知らなくても分かるかも）、おっしゃるとおりバランス＝平衡が存在します。これは非常にマクロな観点での物の見方なのです。例えばいきなりコップに少量の水を用意し、温度を２５℃で、コップをさらにコップより少し大きな箱で包みます。そうすると、コップの水は観測上減りません。これは、空気の体積が限られているのですぐに平衡に達してしまうからです。どういう平衡かというと、水分子が液体の水から空気に拡散する流れと、空気に存在する水分子が液体の水に吸着する流れの平衡です。この箱を剥がすと、水の量は減っていきます。特に晴れた日は。これは晴れた日は空気中の水の量が劇的に少ない為に、水分子が液体の水から空気に拡散する流れが強く、水分子が空気中にいどうしてしまう為です。その証拠に空気中の水のりょうが大量にある雨の日は、水の量はほぼかわりません。

仮説１に関しては、日光に当たっている場合が相当します。日が当たると、水分子は光を吸収します。その光を吸収したものの中に水の中では耐えられない位熱された水分子が出現し、それが飛びだしてしまうのです。これは水を電子レンジに入れると暖かくなる原理と似ています（同じではないが）。電磁波＝光が当たると、熱されるのです。日が当たっていなくとも、普通の室温でも水分子のなかで非常に少ない頻度ですが、水の中では耐えられない物が生じて、飛び出していきます。

お礼

早々の回答ありがとうございます。
他の方の回答を読んで、「実は正しい答えだろう」とおっしゃる意味が
わかってきました。
まず、蒸発は温度に関わらず分子の振動があれば（わずかながらでも）
発生するということ。
そして、その振動を起こすためのエネルギー源と、実際どの程度の
エネルギーが集まれば空中に飛び出すほどのエネルギーに足りるのか？
という問題については、証明はされていない（と思われる）が
水が１００℃で沸騰するという事実から類推することが出来るだろう、
という風に理解しました。

もし私の理解が間違っていましたら、ご指摘いただければ幸いです。