ボイルシャルルの法則と相図

質問

細口のガラス瓶に水を半分ほど入れて加熱して沸騰させる。そのあと加熱をやめて固く栓をして放置するとすぐに沸騰がとまる。
そのあとに瓶の上部を冷やすと再び沸騰するらしいのですが、この現象ってどうしておこるんですか？

ボイルシャルルの法則とか相図を見たのですが全くわかりません。

回答No.1

htms42 · ベストアンサー

加熱は口を開けた状態で行われています。
沸騰を続けると空気は追い出されますからガラス瓶内の空間には水蒸気だけが存在していると考えていいでしょう。蒸気がどんどん外に出ている状態であれば蒸気の圧力は大気圧よりも少し大きくなっています。その温度での飽和蒸気圧は水面にかかる圧力よりも大きくなっています。水面からだけでなく水の中からも気体が生じて蒸気を供給しています。上の空間の蒸気圧が飽和蒸気圧に等しくなれば平衡になって沸騰が止まるのですが外に逃げているので蒸気が溜まりません。蒸気が逃げている限り沸騰は続きます。
加熱を止めて栓をします。上の空間には蒸気が溜まります。上の空間の水蒸気の圧力はその温度での飽和蒸気圧に等しくなっています。平衡が実現しています。水温はすぐには下がりませんのでまだかなり熱いです。沸騰したときの温度に近いです。
瓶の上部だけを冷します。その部分の水蒸気が水滴に変わります。瓶の中の水蒸気の量が急に減りますので水蒸気圧が小さくなり平衡が破れます。水の蒸発が新たに起こって平衡を取り戻すことになります。空気がありませんので液面にかかっている圧力は水蒸気圧だけです。液面にかかっている圧力は飽和水蒸気圧よりも小さいですから表面からだけでなく内部からも水蒸気が発生することが可能になります。
はっきりとした沸騰が起こるためにはこの圧力差がある程度ないといけないと思います。高い温度での方が飽和水蒸気圧が大きいので冷やしたことによる圧力変化が大きくなります。温度が下がってから上部を冷やしても観察できなくなるでしょう。
栓の位置を変えることが出来るような工夫をしても沸騰が起こります。冷やす代わりに上の空間の体積を大きくするのです。