• ベストアンサー

気液平衡と沸騰

真空の密閉容器に水を十分に入れて気液平衡になるまで待ったとします。 この時、密閉容器内の水蒸気の圧力は飽和蒸気圧。 よって密閉容器内の水にかかる圧力は飽和蒸気圧。 と言うことは、 密閉容器内の水の蒸気圧=密閉容器内の水にかかる圧力(水の蒸気圧)となっているので 沸騰してしまうのですか?? もしこれが沸騰してしまうとしたら、気液平衡時は常に沸騰するのですか??

  • 化学
  • 回答数3
  • ありがとう数4

質問者が選んだベストアンサー

  • ベストアンサー
  • htms42
  • ベストアンサー率47% (1120/2361)
回答No.3

平衡状態では沸騰は起こりません。 >密閉容器内の水の蒸気圧=密閉容器内の水にかかる圧力(水の蒸気圧)となっているので沸騰してしまうのですか?? 混乱は「蒸気圧」の意味にあるようです。 (1)左辺で使われている「蒸気圧」が実際に空間を満たしている水蒸気の圧力の意味だとするとこの等号は成り立ちます。でもこれはは何の意味も無い式です。密閉容器内の空間には水蒸気しかないのですから「水蒸気圧=全圧」は当たり前のことなのです。沸騰の判断にはなりえません。 (2)沸騰は 密閉容器内の水の蒸気圧>密閉容器内の水にかかる圧力(水の蒸気圧) のときに起こります。 左辺の「蒸気圧」とはその温度できまる「可能な蒸気圧」の意味です。空間に存在する実際の蒸気の圧力ではありません。右辺の「蒸気圧」は実際に存在する蒸気の圧力です。その意味では同じ言葉を使うと混乱します。左辺は「飽和蒸気圧」とするほうがいいでしょう。その値にまで蒸気が生じていれば平衡になっています。沸騰は非平衡で起こる現象です。平衡が実現されていくプロセスにおいて起こる現象なのです。不等号を等号にもって行く途中で見られる現象です。その意味ではよく熱力学で使われる「準静的に」という条件が成り立っていないことになります。 等号が成り立てば平衡です。 したがって平衡状態で沸騰が起こるということはありえません。沸騰が起こればまだ平衡になっていないのです。液相から気相への一方的な物質の移動が起こっているのですから平衡状態ではありません。 (3)空間に空気がある場合は 全圧=空気圧+水蒸気圧>水蒸気圧 です。(この「水蒸気圧」は実際に空間の中にある水蒸気の圧力です。)飽和水蒸気圧>水蒸気圧であれば蒸発が起こりますが 全圧>飽和水蒸気圧であれば沸騰は起こりません。密閉容器内ではゆっくり加熱していくと沸騰は起こらないことになります。 急激な加熱をした場合には沸騰が起こる場合があります。 温度T1で平衡にあるとします。水蒸気圧は温度T1での飽和水蒸気圧に等しいです。温度をT2に上げたとします。 T2での飽和水蒸気圧に等しくなるまで蒸発が続くはずです。この時温度差が大きいとT2での飽和水蒸気圧の値がT1での全圧を超えてしまうことが起こります。内部からの気化が起こり、不足分の蒸気を補うことになります。 全体を均一に加熱するのではなくて水だけを加熱するということをやると沸騰が起こりやすくなります。 #2で書かれている内容は空気のある場合です。 質問は空気の無いときです。 減圧した時に沸騰が起こるというのは上の空間の気体(空気と水蒸気)をなくしていくわけですから平衡が敗れます。全圧<飽和蒸気圧となってしまっていますから蒸気を補う形で沸騰が起こります。水蒸気は供給できても空気はもはや供給できませんのでポンプで引いている限り平衡は実現しません。いつまでも沸騰が続くことになります。引くのをやめると平衡が実現し沸騰が止まります。このときは空気はもうないとしていいでしょうから水だけの平衡になっています。

KOUPLUS
質問者

お礼

長々と答えてくださってありがとうございました。 お陰様ですっきりしました!!

その他の回答 (2)

noname#65004
noname#65004
回答No.2

結論から言いますと、沸騰します。 真空の容器に空気を入れずに水だけを注ぐのは現実には困難ですので、 逆に水の入った形の変わらない容器から空気を抜いて減圧することを考えれば分かりやすいでしょう。 富士山頂のように気圧が低いところでは水は100℃以下でも沸騰しますよね。それをもっと極端にして、容器内の圧力が常温での飽和水蒸気圧より低くなれば、水は沸騰します。 ただ、この沸騰には外部から熱を供給する熱源がありませんので、沸騰すればするほど状態変化により水は熱を奪われて温度が下がります。それによって飽和水蒸気圧が下がるので沸騰は止まるでしょう。しかし、三重点に達するほど低い圧力だと水が沸騰状態から突如凍ってしまいます。 なお、気液平衡と沸騰は全く違います。液体一般について成り立つ議論ですがとりあえず水として、 気液平衡では(飽和水蒸気圧)=(水蒸気分圧) 沸騰では(飽和水蒸気圧)=(全圧) と書けば一目瞭然でしょう。

KOUPLUS
質問者

お礼

長々と答えてくださってありがとうございました。 お陰様ですっきりしました!!

noname#62864
noname#62864
回答No.1

沸騰しないでしょう。気相と液相が釣り合っていますから。 それに、沸騰というのは液体の内部で起こります。しかし、液体の内部は表面に比べて液体の重さの分だけ圧力が高くなっています。したがって、液体部分の温度が気体部分の温度よりも高くならない限りは沸騰しないはずです。 つまり、平衡状態では沸騰は起こらないはずです。

KOUPLUS
質問者

お礼

ありがとうございました。 お陰様ですっきりしました!!

関連するQ&A

  • 水は沸騰する?

    密閉できる容器に水を入れ、容器を密閉します。容器の空の 部分は空気で満たされているとします。そこで何らかの方法で容器内の空気を瞬間的に水蒸気を含まない乾いた気体に入れ替えたとします。 この時、容器内の気体の圧力は1atmだったとします。 この状態で容器全体の温度を一定に保ちながら気液平衡状態になるまで放置します。水の蒸気圧をWとすると、気液平衡状態になった時 容器内の気体の圧力は(1+W)atmになりますよね? ここで容器内の水を沸騰させることを考えます。水の蒸気圧が外圧に等しくなると沸騰が起こるようですが、 常に1+W(外圧)>W(水の蒸気圧)なので密閉された容器内の水が沸騰することはないのでしょうか?

  • 気液平衡

    低圧における気液平衡に関して質問です。 一定温度における気液平衡関係は、相対揮発度を用いた議論で解決できることは知っています。 よくわからないのは、全圧を一定とした定圧における気液平衡関係では、温度を簡単に決められないということです。この理由は、ものの本によると”全圧が設定した圧力になるように試行錯誤法を用いなければならないから”と書いてあるのですが、意味がよくわかりません。 そもそも、たとえば、密閉系で50Torrに圧力を設定した場合、中の気体の全圧がそれを超えることってあるのでしょうか。実験で単一成分の蒸気圧を求める実験をしたのですが、その時も、湯浴と内部の温度差を10K以下に保って、やたらと長い時間蒸気圧合わせのようなことをやったのですが、これもいまいち意味がわかりません。蒸気圧=沸点という考えは間違いなのでしょうか。 混乱してよくわからないです。どなたか丁寧に教えていただけないでしょうか。

  • 真空

    こんにちは。現在高3のものです。真空状態にした2lの容器に水1lをいれ、平衡状態になるまで待った、とあったのですが気液平衡となるまでに水分子が蒸発していくとき、外圧より飽和蒸気圧のほうが大きいから沸騰していると考えてよいのでしょうか????

  • 液体が蒸発して気体になる反応と、気体が凝縮して液体になる反応が見かけ上

    液体が蒸発して気体になる反応と、気体が凝縮して液体になる反応が見かけ上起こっていないかのように見える、気液平衡の時の気体の圧力を飽和蒸気圧というんですよね?でも、たとえば、密閉された容器に、液体の水が入っているとしますよね。水は蒸発し、やがて飽和蒸気圧になる。この状態で今度温度一定のまま容器の大きさを半分にすると、一時的に圧力は倍ですよね。で、気体の一部が液化し飽和蒸気圧まで圧力が下がるんですよね。ここで疑問があります。圧力が倍になったら、H2O(液体)⇔H2O(気体)より平衡はルシャトリエの原理から←に移動しますよね。このとき、‘新しい平衡に達する’のだから、その影響で飽和蒸気圧の値も変わる、というふうにならないいんですか?

  • 気液平衡についてのしつもんです。

    密閉容器に液体を入れ熱を加えた時一定の温度になると、蒸発する分子の数と凝縮する分子の数が等しくなり蒸発が止まったように見える、気液平衡の状態になる。とあったのですが、開放容器中で液体を加熱したときには、液体から飛び出した分子が容器外へと飛び出してしまい分子が液体に凝縮されず気液平衡の状態にはならないと思うのですが、開放容器中で液体を熱したときも気液平衡の状態になるのはなぜですか?

  • 水銀柱、沸騰について

    高2の化学で、↓のことについて教えてください(>-<) ・ガラス管に水銀柱を満たし逆さまにすると、水銀は容器の水銀面からはかって760mmの水銀柱になる、と教科書にかいてありますが意味がわかりません。 ・沸騰するとき液体内部からも蒸発が起こるとはどういうことですか? ・沸騰では液体の上は空気ですが、気液平衡は起こっているのですか? (蒸気圧=気液平衡が起こっているときで、蒸気圧が大きくなり外圧と等しくなったときに沸騰が起こるらしいので…) 多いしわかりにくいと思いますがお願いしますm(_)m

  • 急激に圧縮すると飽和蒸気圧を上回る?

    ピストンで体積を自由に変えられる容器に、水と空気が入っていて、気液平衡になっている状態で、ピストンを急激に押し縮めました。 この時、容器内の空気の圧力は、飽和蒸気圧を上回ることはあるのでしょうか。 ただし、断熱過程として考えます。

  • 密閉容器の減圧時の相対湿度変化

    水と1MPaの圧力の空気が入った密閉容器(容積可変の密閉容器)をしばらく時間が経過すると飽和状態(相対湿度100%)となると思います。 その状態から容積を大きくし、減圧(大気圧程度)した際には相対湿度は下がるのでしょうか? 私の意見としては、減圧に伴い水蒸気の分圧が下がり、飽和水蒸気圧は圧力で変わらなく、減圧直後は相対湿度(=水蒸気分圧/飽和水蒸気圧)は下がる。その後、時間が経過すると水がだんだんと気化し、飽和状態となると考えていますが、理解はあっていますか?

  • 蒸気圧とは何でしょうか?

    化学II勉強始めて、蒸気圧が出てきたのですが、 液体の蒸気圧=液体の存在する空間の圧力 のときに沸騰するのは理解できました。 あと、蒸気圧の関係した問題で空間の圧力より飽和蒸気圧が大きいとき 蒸気は未飽和で、気体で存在し、 空間の圧力より蒸気圧が小さい時は液体が存在して気液平行になるのまで 問題を解くために暗記しましたが、 蒸気圧自体がいまいち理解できません。 蒸気圧とは気体が液体と共存する状態になる時の圧力なのでしょうか? 長ったらしくてすいませんがお願いします。

  • 化学 蒸気圧について

    密閉容器内に水が入っているとします。(容器いっぱいではない) 水を入れた瞬間は、水は蒸発していないから、水蒸気の分圧は0ですよね? これをゆっくり加熱していくと、水蒸気の分圧は、飽和蒸気圧曲線にしたがって上昇していくというのはあっていますか? また、言葉の定義について 水が蒸発していくと、水蒸気の分圧は大きくなっていきますよね? つまり、容器内の空間(液体の部分を除く)の全圧が大きくなっていきますよね? この圧力は、まぎれもなく「蒸気の圧力」によるものだと思いますが これを「蒸気圧」とは言いませんよね? あくまでも「空間の気体による圧力」ということですよね? ここまでで間違っていることがあればご指摘お願いします。