液圧が飽和蒸気圧以下になると沸騰するのはなぜ？

質問

既出でしたらすみません。
キャビテーションの説明であるのですが、液圧が飽和蒸気圧以下になると沸騰するのはなぜでしょうか？
原理的に理解したいのですが、いまいち理解できないのでご協力お願いします。

回答No.5

ORUKA1951 · ベストアンサー

No.2です。
　キャビテーションと沸騰の関係。大気圧とかじゃなくて、「界面で何が起きているか」を理解しないとなりません。No.2で申しましたように（浸透圧も沸点上昇も凝固点降下）も同様です。
　液体の気化は沸点だけで起きているわけではなく、その界面が存在するところで常に起きています。
　　気体(気相)　　　　これは、濃度の異なる流体の境界、溶質の溶けている(気/液)界面
気化↑↓凝結　　　　　(固/液)界面・・・
￣￣液体￣￣￣(液相)

　境界に衝突する粒子の数は、濃度が高いほど増えます。気体側から衝突して凝結する数と液相側から気相に飛び出す粒子の数が平衡に達する圧力が蒸気圧です。
　No.2で説明しましたが、「沸騰とは蒸気圧が大気圧に打ち勝つ現象ではありません。」「沸騰を始めるときの圧力が飽和蒸気圧」でもありません。それらは沸点を示しているだけです。沸騰とは、液相内部に偶然にできた気相--泡--が成長し続ける状態です。
　ここを間違えている人はとても多い。そのためにキャビテーションが理解できない。

　水中の気泡　○　を考えるとお分かりのように界面は大きく丸まっています。沸点はあくまで界面が平面な状態ですが、曲面です。当然、取り囲む数が多い分、液体分子からの引力のほうが多くなりますから、気泡はたとえ沸点を超えていても成長することはできません。
　この気泡は沸点に近い温度ではなく、より低い温度でもミクロ的には常に起きているのです。
　ここでこの気泡を押しつぶそうとする圧力が減少すると、気相液相間のバランスが崩れて泡が成長します。そして、圧力が元に戻ったら急激に潰れて＝＝気体になった分子が液体に戻る＝＝ために、激しく潰れる。その現象が繰り返されることがキャビテーションです。

沸点上昇:気液界面で界面に衝突する分子の数が減少するため
凝固点降下：固液界面で・・・
浸透圧：濃度の高いほうが衝突分子が少ない
沸騰：気＜液 なのでそれに勝る温度が必要。沸点＜沸騰温度

＞容器内の圧力を下げる（液圧が下がる）ことは、
＞周囲の圧力が下がることと同じと考えればよろしいでしょうか？
　そうではなくて、発生する気泡内の圧力（パスカルの原理）が、局所的に低下することと、その圧力が逆転することが要因です。その原因は液体の粘性・表面張力による減圧です。

お礼

なるほど、勉強になりました。
界面での分子の挙動をミクロ的に考えればいいわけですね。

回答No.4

hg3

＞容器内の圧力を下げる（液圧が下がる）ことは、
＞周囲の圧力が下がることと同じと考えればよろしいでしょうか？
はい、その通りです。

お礼

再びのご回答ありがとうございました。

回答No.3

NiPdPt

沸騰するということは、液体の中で、その液体が気化した「泡」が生じることを意味します。
しかし、液体の内部は、大気圧によって押さえ込まれていますので、内部から泡を発生させようとする力が、その大気圧を押し返さない限り、沸騰は起こりません。逆に言えば、液体の蒸気圧が大気圧を超えれば、大気圧を押し返して泡を発生させることが可能になります。沸点というのは、蒸気圧が大気圧と同じになる温度ですので、その温度を超えれば沸騰が起こることになります。

要するに、液体の蒸気圧が、大気からの圧力を押し返すことが出来るかどうかという話になります。

補足

わかりやすいご回答ありがとうございます。
キャビテーションは配管内で発生するもので、この場合液体は容器の中に入っているようなもので大気圧をどう考えればいいのかわからないのですが、今回のケースは液圧は大気圧と同じと考えればよろしいのでしょうか？

回答No.2

ORUKA1951

物質の状態変化を復習しましょう。ここを押さえれば、浸透圧も沸点上昇も凝固点降下も統一して理解できるはずです。
　界面で何が起きているかということです。

固体/液体の界面でどんな平衡が成り立っていますか？　融解・凝固・凝固点降下・過冷却
液体/気体の界面でどんな平衡が成り立っていますか？　気化・沸騰・沸点上昇
固体/気体の界面でどんな平衡が成り立っていますか？　昇華
浸透圧　濃度の異なる膜の界面でどんな平衡が成り立っていますか？　浸透圧

　沸騰とは、液艇内部に発生した気体の泡が成長し続けることができる状態を言います。沸点と液体/気体界面で何が起きているか？？

回答No.1

hg3

難しく考える必要はありません。
容器に液体（例えば水）を入れ、容器内を減圧していくとその液体は沸騰することはご存知ですよね。それと同じ原理です。
その沸騰を始めるときの圧力が飽和蒸気圧ということです。

補足

ご回答ありがとうございます。
おっしゃる通り難しく考えすぎなのかもしれません、、、
下記のサイトを参考に考えると、容器内の圧力を下げる（液圧が下がる）ことは、
周囲の圧力が下がることと同じと考えればよろしいでしょうか？
http://www.sit.ac.jp/user/konishi/JPN/L_Support/SupportPDF/Boiling.pdf