蒸発のメカニズムを知りたい

質問

水に空気を吹き付けると水が（早く）蒸発しますよね。
このときの水に何がおこっているか、蒸発の仕組みを知りたいです。
御存じの方、よろしくお願いします。

回答No.3

Zincer · ベストアンサー

「水が蒸発してなくなる」ことの説明については、alpha16さんの回答で良いと思いますが、「空気を吹き付けることによって蒸発が速くなる」ことの説明は、大筋でfreeman108さんが正解だと思います。
水滴が蒸発して無くなる過程を段階を追って説明すると。
１．水滴の周りに（極薄い）飽和水蒸気の空気の層が出来ます。
２．その周りの空気は飽和水蒸気に達していない（水蒸気濃度が薄い）場合、ある厚さの濃度勾配を持った拡散層が形成されます。
３．その拡散層を通って水分子は外側に移動し、最終的に全部の水滴が無くなります。
（厳密には水の気化熱によって、nonononさんの仰るように水滴の温度は低下するはずですが、外部からの伝熱の効果による加熱がありますので、ここでは定常状態として無視しています。）
さて、【２】の拡散ですが、その速度は濃度勾配に比例して大きくなるため、周りの空気を常に水蒸気量の低い新しい空気と入れ替えてやることによって拡散速度が大きくなったため、速く乾燥すると考えられます。また、空気が移動すると拡散層の厚さの減少も起こり、これも濃度勾配を大きくすることになります。

揚げ足取りのようになりますが、気体分子の速度は非常に大きく、通常の風程度ではその運動エネルギーの上昇はほとんど影響を与えないものではないでしょうか？

お礼

ありがとうございます。
吹き付けるとゆう行為が、常に新しい濃度勾配を作っているようですね。

回答No.2

alpha16

蒸発とは、
まず液体は外部からのエネルギー得て気体になります。
つまり、気体は、液体よりも分子運動が活発になっている状態です。
そして、液体は、気体よりも強い力で結合しています。（固体ほどではないが）
そこで、気化する場合を考えると

1つ目には、沸騰して気化する場合があります。
これは、外部からの結合エネルギーよりも大きい熱エネルギーを吸収して
結合が切れると、気体になるわけです。
水の場合、1気圧では100℃です。
これは、100℃における飽和蒸気圧が1気圧（＝760ｍｍHg）なので、
100℃で蒸気圧が760ｍｍHｇの状態から更に熱エネルギーを与えると
蒸発しきれなくなるので、沸騰という形で気化します。

2つ目には、沸騰なしの気化があります。
これは、質問の内容の蒸発にあてはまると思います。
一般に、0℃から100℃の間の水は液体であると考えますが、
実際には、水の分子は液体と気体の間を行ったり来たりしています。
つまり、液体になったり気体になったりしているということです。
しかし、蒸気圧がその温度での飽和蒸気圧よりも低いと、
液体から気体になる分子のほうが、気体から液体に戻る分子よりも
差し引きで多くなるので、全体としては蒸発して行くわけです。
これは、蒸気圧が飽和になるまで続きます。

そこで、空気を吹き付けた時に早く蒸発する理由を考えます。
空気を吹き付けた時、空気の分子（正確に言うと窒素や酸素などの分子ですが）は、静止した空気よりも大きな運動エネルギーをもっています。
そこで
　　　　大きな運動エネルギーをもった空気の分子が
　　　　水分子に衝突
　　　　　　　　　　　　　↓
　　　　水分子は空気の分子からエネルギーを受け取る
　　　　　　　　　　　　　↓　
　　　　受け取ったエネルギーを運動エネルギーとして
　　　　結合を振り切って気体になる

という過程で気化してゆきます。
もちろんこのときも液体に戻る分子もありますが、差し引きで気体になるものが
多くなっています。

一応、飽和蒸気圧について補足しておきます。
飽和蒸気圧とは空気中における蒸気（ここでは水）が蒸気でいられる最大限の蒸気気圧のことです。（ちょっとわかりにくいかもしれませんが）
これは、温度によって変化し、温度が高いと飽和蒸気圧も高くなり、
温度が低いと飽和蒸気圧も低くなります。
通常、液体の水は、空気の圧力が押さえつけることによって気化しにくくなって
います。ですから、宇宙空間では、液体は急速に気体になってゆきます。
いわゆる沸点とは、飽和蒸気圧が大気圧とおなじになる温度になります。
そんなわけで、気圧の低い山の上などでは、沸点が低いわけです。

お礼

論理的な解答、ありがとうございます。

補足

少し気になったのは、
『静止した空気よりも大きな運動エネルギー』というところです。
静止した空気と吹き付ける空気のエネルギーの差が、
水分子が水でいるのと水蒸気でいるのとの差に関係があるのでしょうか？

経験的なことなのですが、空気を吹き付けると水が冷たくなります。
空気を吹き付けることが、水にエネルギーを与えることになるのでしょうか？

ぶしつけな質問でごめんなさい。

回答No.1

freeman108

蒸発の仕組み：
液体が気体に変わるのは、分子の運動が活発になるからです。
分子は、温度や圧力の変化によって活発になったり逆になったりします。
液体の状態でも、分子は常に動いていますが、熱を奪うことによってさらに活発に動きます。
常温でも、蒸発(気化)するのはそのためだと思います。

速く蒸発する理由：
空気中に含むことができる水蒸気の量(飽和水蒸気量)は、温度によって決まっているので、その量を超えることはできません。
そこで、湿気を帯びた空気と乾燥した空気を循環させることによって、蒸発(気化)することを助けているのではないでしょうか？

ちゃんと勉強してないので、正しくないかもしれません。

お礼

さっそくありがとうございます。
水の運動が活発になると循環がポイントなのですね。