お湯の中で空気が発生する理由

質問

子供とお風呂に入ってる時、大きな注射器のようなおもちゃで遊んでいました。
湯の中に沈めて中に空気もお湯もまったく入ってない状態で、ゆっくりと吸い込んだ場合は勢いよくお湯が入ってくるだけなのですが、
大人の力で思いっきり引っ張って吸い込ませるとお湯の中なのに空気が発生しました。
これはどうしてなのでしょうか？
子供と二人で「不思議だね・・・」で、終わってしまうので、理由がわかれば説明してあげたいなと思います。
よろしくお願いします。

回答No.4

alpha123 · ベストアンサー

急いで引くと注射器の中は真空に近くなります。実はそこには水蒸気や水に溶けていた酸素や二酸化炭素や窒素も気体で存在する。

減圧沸騰というが圧力低いと低温でも沸騰（液体が気体になる）します。実際に経験あるかはともかく、高い山の上では100度になる前に水が沸騰するのでふつうに炊いたらご飯は出来ません。
そこでふた付けて水蒸気逃がさない「飯ごう」です。

これと同じ原理です。ふつうは100度で沸騰するが（ぐらぐら沸いたお湯やおなべの中です）
40度くらいのお湯でも圧力が少なければ沸騰です。風呂のお湯そのものは1気圧だから沸騰しないが注射器の中は圧力低い。

お礼

減圧沸騰・・・たしかに「高い山・・・」の話は聞いたことがあります。
勢いよく引いた注射器の中では空間が発生し、その中に吸い込まれたお湯がシュワシュワになってそこから空気が生じている感じです。
つまりこれが沸騰しているということなのですね。
レスありがとうございました。

回答No.8

noise21

こんにちは。

お子さんと一緒に楽しく勉強にもなるお風呂、
良いですね！

さて、原理については皆さんが
詳しく回答して下さっているので、
お子さんにどう説明すれば良いのかを
考えてみましょう。

ご存じとは思いますが、物質の状態には、
大まかに、気体・液体・固体の３つがあります。
お風呂のお湯つまり水は「H2O」です。
まあ、酸素分子がとか言わずに簡単に、
気体＝蒸気・液体＝水・固体＝氷
としておきましょう。

蒸気はお風呂や薬缶（今時は電気ポットですね）から
出ています。実際に目に見える湯気は蒸気では無く、
蒸気が冷えて液体になっている状態なのですが、
お子さんには仮に、蒸気としておいたほうが、
目で見て理解し易いと思います。
（それなりの年齢になれば自分で学ぶでしょう）

この蒸気が冷やされると水に戻りますね。
簡単なのは雨です。実際には雲も液体の状態です。
冷たいコップの表面には周囲の気体が冷やされ、
滴が垂れてきます。

冷やされお水になった物質を
更に冷たくし続けていくと・・・・。
当然、氷になりますね。
逆に辿っていくと、氷は溶けて水になり、
お子さんの大好きなアイスクリームは、
練乳状になります。

溶けて水になった物質を暖めるとお湯になり、
お湯は気体となってどんどん蒸発していきます。

この物質の基本三形態を理解させましょう。
湯気や雨や氷なら理解し易いと思います。

それが理解出来たら圧力差の話になりますが、
お子さんがお幾つなのか存じませんが、
それなりに説明は難しくなります。
お子さんには理解し難いでしょう。
原理は省いて結果だけ、
「勢い良く引っ張ると湯気になっちゃうんだよ」
では如何でしょう？
それを「何で」と言われると困りますが、（笑
「へ～」と納得してくれれば
親御さんの株も上がりますね。

非常に端折った説明ですが、
「注射器の口が狭いから水は
一度にいっぱい入れないのに
注射器のピストンのほうが大きく動いているから
水が蒸気になってその分を埋め合わせているんだよ」
では体積比約1700倍が理解出来ないと難しいですね。
蒸気機関車のお話等を一緒にすれば良いのかなあ？

お礼

子供は小学生です。酸素か水素か、集めて火をつけてみればわかるかなと・・・発生した空気をお湯の中で他の容器に移して、何度も繰り返して沢山集めようとしたのですが・・・５回ほどで疲れてしまいました。
他の方の意見も含めて、言われていることが当てはまるような気がします。
思い切りよく引いたことにより生じた空間は、確かに真空状態だと思われ、その空間に入ってきたお湯が泡立つ様な感じになるのが減圧沸騰、とてもたくさんの空気が発生しているように見えるのに、お湯が充満したら小指の先ほどの空気だけが残るのは減圧度が低下して沸点が高くなりたくさん生じた空気がお湯に戻っているんですね。
あとは、お湯の温度の中で残った空気を冷やしたら消滅するか・・・試してみたいと思います。
レスありがとうございました。
たくさんのレスありがとうございました。なんとなく子供に説明できそうです。

回答No.7

htms42

大きな注射器のようなおもちゃと書かれています。
大きさにもよりますが５ｋｇ～１０ｋｇの力で引けば水蒸気だけの空間が出来ても不思議ではないです。４０℃で水蒸気だけの場合、約０．０７気圧です。外が１気圧だとすると０．９３気圧分の力を加えれば可能です。１気圧に相当する力は１ｃｍ２あたり１ｋｇですから上のような見積もりになります。
思い切り引っ張ったということですのでこれでどうでしょう。

お礼

発生した空気が、水蒸気だけの空間だとすれば、
おもちゃ自体を空気も水も入らないようにして冷やせば・・・子供と試してみます。
詳しい数字でのレスありがとうございました。

回答No.6

etsushi1

ベルヌーイは流速を持つ流体での話です。何の関係もありません。。。
溶解度もあまり関係ないでしょう。。。

回答No.5

zoe_falken

完全に水中にあり、全く空気のない状態であると仮定します。

そのような状況であれば「ベルヌーイの定理（流体力学）」と「溶解度（科学一般）」で説明できます。

まず、溶解度です。
これはある溶媒（＝物を溶かす液体、今回は水）に対し、溶質（＝溶媒に溶けるもの、今回は空気）がどれだけ溶けることが出来るかを示す数値です。
これは溶媒の温度、量、周辺の圧力に依存します。
小学校などでミョウバンの溶解実験をしますが、これを確認するためのものです。

気体の場合、量が多く・温度が低く・圧力が高い場合よく溶けます。
ぬるい炭酸水がよく吹き出るのは水に二酸化炭素が溶けることが出来ないからです。

次にベルヌーイの定理です。
流体力学の基礎にして、最初の最大難関の定理です。
簡単に言うと、流体の持つエネルギーは常に一定であると言う定理です。
流体版エネルギー保存則とほぼ同意です。

で、これに従うと。
速度と圧力が持つエネルギーの総和は常に一定になります。
つまり、速度が速くなるほど圧力が下がることを意味します。

先述のように圧力が下がると、気体の溶解度は下がります。
ですので、気体が発生したと考えられます。

お子様が理解できるように説明するには、かなり骨が折れると思います。
がんばってください

ちなみに、当方流体力学はかじった程度です。
もしかしたら間違っているかもしれません

お礼

違った視点から考えていただき、ありがとうございました。
正直なところ私には難しいので理解できませんでしたが、いい勉強になりました。
レスありがとうございました。

回答No.3

etsushi1

注射器内が減圧されて、空気というよりは水蒸気（気体）が気体部分となって見えたと思うのですが。。。お子さんに説明するには難しいですかね。。。

「水は蒸発して空気みたいになる」、「空気のような気体は力を加えると伸び縮みする」、「ピストンの中には空気が無かったんだから空気ではなくて水が気体になって入っている。。。すいませんこれ以上思いつきません。すいません尻切れトンボで。

さぁ、なんと言って説明しょうか。。。

お礼

私が考えていた理由に一番近くて親近感が沸きますが、
そこからはっきりとした理由が知りたい・・・と思っておりました。
レスありがとうございました。

回答No.2

kougetsu

それは空気ではありません。
それは「真空」状態になっています。空気も何も無い状態です。
厳密に言うと水蒸気などがあるはずですが。

お礼

空気ではない・・・と断定されると私には反論する知識はないのですが、
ただ、発生した空気は水中で他の容器に移すことも出来るのですが・・・
レスありがとうございました。

回答No.1

noname#45379

逆側から空気が入ってきたが一番考えやすいです
追試したいなら大きな注射器全体を水中に沈めて再現してみてください

発生した空気が一瞬で消えないのなら別かな？

お礼

完全に沈めて、中の空気も一切入ってない状態で行いましたので、逆側から入ってる可能性は無いと思います。
発生した空気も残った状態でした。
レスありがとうございました。