水の状態変化

質問

1気圧において氷は0℃以上では完全に水になり、
水は0℃以下では完全に氷になります。
でも、水蒸気は100℃以下でも存在します。
どうして、水蒸気にはこのような性質があるのでしょうか。
不思議です。
温度はエントロピーが移動することによって変化することから、100℃のときのエントロピー以上だと水蒸気になって、0℃のときのエントロピー以上だと水になって、0℃以下のエントロピーだと氷になって、その3つの和集合になっているのかと、私なりに考えてみたのですが、それだと辻褄が合いません。水や氷に対して、水蒸気というものが全く違う性質を持つのだろうと想像しましたが、何を考えればよいのかよく分かりません。
ヒントでもいいので、ぜひよろしくお願いいたします。

回答No.7

sanori

＞＞＞液体と気体の競合ではなくて、ですか？

そのとおりですね。
文章を編集している途中で間違えてしまいました。

お礼

分かりました。
回答してくださって、ありがとうございました。
参考になりました。

回答No.6

owata-www

＃１ですが…　＃４さんの仰るとおりで我ながらめちゃくちゃな言い方でしたね、恥ずかしい限りです orz

何が問題かと言うと、固相と液相の定義を滅茶苦茶に使っていたからです。
私が言いたかったのは、例え固体と同じように分子が密に詰まった状態が瞬間的にあったとしても、系中の熱エネルギーですぐ離れてしまうということを言いたかったわけです。（それが液相なわけで）

余談ですが、「マクスウェルの魔物」はまだ完全解決にはいたっていませんよ

お礼

より正確な回答をありがとうございます。

回答No.5

eroermine

水の分子が一個のとき、それは水なのか氷なのか水蒸気なのか。
では二個だったら。
ここらへんに突破口があるかも。

お礼

ヒントをくださって、ありがとうございます。
考えてみます。

回答No.4

noname#160321

お酒の勢いでしょうが＃１様のお答えはいつもの冴えが見られません。^^
水の中でできる氷の例え、それは「マクスウェルの魔物」そのものですので、水の中で氷はできません。

液相と固相は合わせて「凝縮相」と呼ばれ、分子間力が大きい状態を表します。
凝縮相のうち結晶化したものが固相です。
気相と凝縮相の間には大きな溝があり、そのため気体は「理想気体」で近似出来ます。
液相と固相の間には大きな差はありません。
これは気化熱と融解熱の大きさの差で見ることができます。

なお、正確を期すため申し上げておきますが、液相と気相は共に「流動相」と呼ばれ、「臨界温度」以上では「超臨界流体」という一つの相に統一されてしまいます。

お礼

回答していただき、ありがとうございます。
正確な言葉の定義や、気化熱と融解熱に着目すればよいことなど、
とても参考になりました。

回答No.3

sanori

すみません。

前回答の後半の、相図についての説明は、ご質問に対する回答としては不適でしたので、無視してください。

回答No.2

sanori

こんばんは。

＞＞＞どうして、水蒸気にはこのような性質があるのでしょうか。

０℃～１００℃では、
液体→固体
と
液体←固体
が競合しているからです。

液体→固体
の速度（単位時間当たり発生数）と
液体←固体
の速度が一致したところで、平衡状態になります。

０℃以下ですと、
気体←固体
気体→固体
です。（昇華）

ちなみに、
「相図（そうず）」（状態図とも言う）って見たことありますか？

水（固体、液体、気体）の相図
http://www.tokai.t.u-tokyo.ac.jp/public/lab/beam/scw2/phase.JPEG

固体（氷）に特化した相図
http://www.chuo-u.ac.jp/chuo-u/research/images/illustration021.gif

同じ温度で２つ以上の相になるのは、水に限ったことではなく、普通のことなのです。

http://unit.aist.go.jp/cerc/rep2003/img/control_fig2_1.gif

http://www.uesu.phys.waseda.ac.jp/studies/relaxors/resources/pzn_fig1.png

http://www.riken.jp/r-world/info/release/news/2002/aug/image/frol_02_03.gif

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ja/thumb/5/51/Diag_phase_fer_carbone1.PNG/280px-Diag_phase_fer_carbone1.PNG

なお、上記の図で、温度が横軸になっているものと横軸になっているものがありますので、見るときは注意してください。

以上、ご参考になりましたら。

補足

>０℃～１００℃では、
>液体→固体
>と
>液体←固体
>が競合しているからです。

>液体→固体
>の速度（単位時間当たり発生数）と
>液体←固体
>の速度が一致したところで、平衡状態になります。

液体と気体の競合ではなくて、ですか？
できれば、もう少し説明をいただきたいのですが。。。

回答No.1

owata-www

酒を飲んでいるので細かい説明はできそうにありませんが…

ポイントは、水蒸気になると水中から気体になって、水中から離れるところじゃないでしょうか？だから、低温でも水蒸気が存在するのです。逆に、水中で氷が出来たとしてあくまで水中に存在する以上、すぐに水になってしまうんです。
だから、水中で氷ができたら、すぐに水中から取り除けるような仕組みがあれば（非現実的ですが）、平衡がずれて氷はどんどん出来るのではないでしょうか？

余談ですが
＞水は0℃以下では完全に氷になります。
これは厳密に言えば間違いです。「過冷却」というものがあります↓

参考URL：

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%81%8E%E5%86%B7%E5%8D%B4

お礼

回答してくださってありがとうございます。
過冷却についてのご指摘も非常にためになりました。