『飽和蒸気について』

質問

『飽和蒸気について』

飽和蒸気の温度と圧力の関係を表す『飽和蒸気表』が存在します。
つまり温度が決まれば圧力が決まるようです。
例えば乾燥度が0.8の飽和蒸気と0.95の飽和蒸気は温度が同じであれば
圧力は同じであると考えてよいものでしょうか。
乾燥度の変化によって飽和蒸気の温度と圧力の関係が変化するのか
しないのかを知りたいと思います。

どなたか分かる方ご回答よろしくお願いします。

回答No.6

okormazd · ベストアンサー

まづいなこれは。#3苦しい。
#1,#2は、はじめから勘違いしていることは明らか。どうなることかと見ていたたのですが。注射筒の蒸気、メチャクチャです。全く適切ではないでしょう。乾き度、乾燥度、飽和度、(湿り度)というのは蒸気自体が、水分(水滴) を含むかどうかの話です。蒸気発生のときの状態ではありません。注射筒の蒸気、メチャクチャです。全く適切ではないでしょう。たとえば、ボイラで蒸気を発生する場合、#3の議論で行けば、ボイラ水の量が圧倒的に多いので、飽和度はものすごく小さくなってしまいます。ふつう、どんな蒸気でも発生させた直後は、飽和度は1に近いでしょう。なべの蓋の蒸気穴から出る蒸気が、蓋のそばでは透明でもそれから少し離れると、白い蒸気が見えるというのは、蒸気穴のそばでは、飽和度は1に近くても、それから離れたところでは、冷やされて飽和度が下がり、水滴を生じてそれが白く見えるのですよね。その後は拡散されて、また透明になる。

たとえば、飽和度1の蒸気(水滴成分はありません)を冷やせば、一部凝縮(水滴を生じます)して、飽和度は下がります。凝縮した分の潜熱が出るので、温度は変わりません。また、普通は、定圧条件の変化(体積変化は許容する)なので、圧力も変わりません。
飽和度1の蒸気(水滴成分はありません)を加熱すれば、加熱蒸気になります。これは、温度と圧力が1:1に対応しない蒸気で、過熱蒸気といいます。
逆に飽和度0.1の蒸気(水滴成分が大部分です)は、加熱すれば、水分が蒸発するのに潜熱が消費されて、温度は上がりません。普通は、定圧の条件(体積変化は許容する)なので、圧力も変わりません。
したがって、温度が決まれば圧力が決まるということになります。それが、飽和(湿り)蒸気の性質です。

「乾燥度の変化によって飽和蒸気の温度と圧力の関係が変化するのか
しないのか」

前の議論のとおり、温度と圧力は1:1の対応です。
飽和度0(飽和水)から飽和度1の間では、温度‐圧力は変わりません。

お礼

Okormazd様

丁寧なご説明ありがとうございました。

理解することができました。

昔の熱力学の本を探し出し、再度勉強してみたいと思います。

回答No.9

matelin

ANo6さんの回答を受けて、私のコメントをします。
実は私はボイラー技術を専門に勉強したわけではありません。ANo6さんは現実のボイラーで発生させた蒸気についてよくご存知のようですが、私の専門は物理です。その観点からあなたの提起された問題についての、問題を単純化して原理的な解説をしたつもりです。私の書いている内容は間違っていませんが、あなたが理解したい現象から少しはなれた解説になったかもしれません。
ANo6さんの書かれた内容を読んで、私が考えたことをもう少し書きましょう。

あなたが問題とされている蒸気というのは、具体的にはどんな条件におかれているものなのかは私にはよくわかりませんが、ANo6さんが書かれた内容からして、ボイラーで発生させて、それを別の場所に移動させるような状況なのだろうと思いました。その間に蒸気は冷えたりして、その一部が水滴に変化したりするのでしょう。その場合でも、注射器の中の水蒸気の説明は使えます。注射器内の水は水蒸気に含まれる水滴と考え、それらの水滴に取り巻かれている水蒸気は注射器内の水蒸気と考えるのです。その水滴とそれを取り巻く水蒸気との間に気液平衡が成り立っていると考えるのです。水蒸気の現実の変化に対して、どの程度平衡が成立していると考えてよいのかは、私にはよくわかりませんが、まずは現実の複雑な条件を単純化して考えることから始めるのが良いのだと思います。

しかし現実にボイラーで発生させた蒸気を扱うには、もっと複雑なことを考えに入れないといけないのかもしれません。私の回答は原理的な考え方を説明したものですから、現実のボイラーで発生させた蒸気についての解説としては不十分かもしれません。そのことは了解してください。しかし、＃３で書いてあることはすべて間違っていないことをもう一度申し添えておきます。

ＡＮｏ６さんの次の記述について、私の考えを書いておきましょう。
「ボイラで蒸気を発生する場合、#3の議論で行けば、ボイラ水の量が圧倒的に多いので、飽和度はものすごく小さくなってしまいます。ふつう、どんな蒸気でも発生させた直後は、飽和度は1に近いでしょう。」
ボイラーで水を加熱して水蒸気をどんどん発生させている状況では、ボイラーの水と発生した水蒸気との間に気液平衡は成立していませんから、その状況に、注射器内の水と水蒸気の話を適用することはできません。注射器内の水と水蒸気の話は、気液平衡を保ちながら変化する場合のものです。

お礼

matelinさん
数回にわたりご回答ありがとうございました。
勉強になりました。
この手の内容は非常に理解が難しいですね。
皆さんの回答を参考に更に自分で勉強してみます。

回答No.8

ohkinu1972

私は乾燥度と言うより乾き度と言うほうがなじみがありますが、
乾き度が0より大きく～1未満の蒸気は湿り蒸気と呼んでいます。
結論から行くと、湿り蒸気の温度圧力は飽和蒸気と同じです。

機械学会や国際水・蒸気性質会議(IAPWS)の蒸気表や、
蒸気表プログラムをご利用になったことはありませんか？
例えばこちら
http://www.vector.co.jp/soft/win95/edu/se161582.html

これを使えば圧力又は温度を指定して飽和状態が算出できます。
実際試してみると密度やエンタルピは2種類出てきますが、
それぞれ飽和蒸気と飽和水のものを表します。
これの意味するところは飽和条件では飽和蒸気と、
飽和水のどちらの状態もありうるということです。
しかしながらこの場合でも温度、圧力は1対1になっています。

こちらでも飽和蒸気と飽和水それぞれで表になっていますが、
温度圧力は1対1になっています。
http://www.ryutai.co.jp/shiryou/steam/houwasui-mitsudo-1.htm
http://www.ryutai.co.jp/shiryou/steam/steam-mitsudo-1.ht

湿り蒸気というのは、飽和蒸気にミスト状の飽和水が、
混ざっていると考えれば良いと思います。
飽和蒸気と、飽和水で温度圧力が同じであれば、
その混合物である湿り蒸気も同じということは容易に理解できると思います。

お礼

ohkinu1972様

分かりやすいご回答ありがとうございました。

表示のURL利用させていただきます。

回答No.7

okormazd

#6です。
書き忘れましたが、話が逆で、
乾燥度が、0から1なら、
温度と圧力が1:1対応になるのです。

回答No.5

matelin

ＡＮｏ４の訂正です。
「１００？」は「１００度Ｃ」です。

回答No.4

matelin

あなたの２つめの質問に関する補足です。
「乾燥度が１００％の蒸気の場合という意味でしょうか」

この表では、乾燥度は関係ありません。
水蒸気が飽和状態でありさえすれば、その飽和水蒸気の乾燥度がいくらであってもよいのです。
例えば、１００?の飽和水蒸気であれば、その乾燥度が０から１の間のどの値であろうと、水蒸気圧は１気圧ですし、水蒸気密度は０．５９８ｋｇ／ｍ＾３　です。

回答No.3

matelin

こんにちは。
私は、あなたの質問は高校生レベルのものだと決め付けて、そのレベルの回答をAＮo１や２でしました。しかし、あなたのお礼の記述を読むと、あなたの質問はもっと程度の高い問題であることを再認識しました。失礼しました。そこで、改めて回答をします。と言っても、AＮo１や２の回答で記述したことは、この問題を理解する上での基本事項ですから、その内容をしっかり理解してください。その上にさらに付け加える形で、お話します。
まず、あなたの「乾燥度」という言葉ですが、あなたが参照を求めているＨＰを見たところ、そこで「乾き度」として使われている言葉ですね。そうであれば、その言葉の意味は湿度の意味ではありません。あなたがお礼の最初の部分で述べておられるとおりです。

「私の質問は蒸気のことなのですが、よく乾燥度で評価をすることがあります。乾燥度が1.0ではない、つまり0.95や0.8の蒸気は飽和蒸気ではないということでしょうか。」
乾燥度が0.95や0.8の蒸気も、1.0の蒸気もすべて飽和蒸気です。

「上記HPからすると飽和蒸気の間は乾燥度が0-1.0まで変化し、例えば0.8の場合は蒸気が80％、液相が20％というようなことが書かれています。つまり、この間は全て飽和蒸気であり、その中で蒸気の割合が変わるのだと思っていました。この理解は間違っていますでしょうか。」
その理解はすべて正しいです。
ＡＮo１で、私は飽和状態が実現するまでの過程を詳しく述べました。しかし、あなたが指示するＨＰで問題にしている蒸気はすべて飽和蒸気です。それに関してもう少し詳しく述べましょう。ＨＰでは冷媒ガスを取り上げていますが、水蒸気に置き換えても、話の内容は同じものなので、ここでは水と水蒸気で話します。

いま注射器の中に１０ｇの水を満たした後、注射器の出口に蓋をして、水を完全に注射器に閉じ込めたと思ってください。そしてその注射器のピストンをすごい力で引き抜いていき、一定の距離引き抜いた所で止めます。すると注射器には真空の空間が生じますが、そこには水が蒸発して水蒸気がたまり、しばらくそのまま放置すると水蒸気は飽和状態Ａになります。その状態での水の量と水蒸気の量との割合が、乾き度or乾燥度です。たとえば、そのとき水８ｇと水蒸気２ｇに分かれていれば、乾き度は０．２です。

次に、その注射器の状態から、さらに力を加えてピストンをさらに一定距離引き抜いた後、その状態で停止させたとします。すると、また水の蒸発が進み、水蒸気があらたな飽和状態Ｂになります。飽和状態ＡとＢとでは、もし注射器内の温度が変わっていなければ、その水蒸気の圧力は等しいですし、また単位体積当りの水蒸気量は、ＡとＢとでは同じです。しかし、水蒸気の総量はＢのほうが多いです。たとえば水６ｇと水蒸気４ｇという割合になります。その場合の乾き度は０．４です。

状態Ｂからさらに注射器のピストンを十分にゆっくりと引き出していくと、（注射器の筒の長さは無限に長いとします）、注射器に残っている水がさらに蒸発しますから、ピストンをある位置まで引いたとき、注射器内の水はなくなります。このときの乾き度は１です。この状態をＣとします。

上記のＡＢＣと変化する間、注射器内の水蒸気はすべて飽和水蒸気です。注射器の温度が不変であれば、その飽和水蒸気の圧力も不変です。しかし、乾き度は０から１まで変化します。

あなたの２つ目の質問についてお答えします。
「この表の意味をご存知でしょうか。乾燥度が100％の蒸気の場合という意味でしょうか？それとも違うのでしょうか。」
これは飽和水蒸気の、温度と圧力と水蒸気密度との関係のデータです。飽和水蒸気があるとして、その温度が表の飽和温度です。その飽和水蒸気の圧力が飽和圧力です。ただし単位がゲージ圧ですから、注意してください。（飽和水蒸気圧）＝（ゲージ圧）＋１気圧　です。飽和蒸気密度は飽和水蒸気の密度です。温度が上がれば、蒸発が活発になりますから、飽和水蒸気量も増え、飽和蒸気密度も増えます。

あなたの３つ目の質問について
「乾燥度0.8で121?の蒸気と0.95で121?の蒸気は同じ圧力となるでしょうか？」
上文中の「１２１？」の意味がわかりません。

以上長々と書いてしまいました。
参考になれば幸いです。

回答No.2

matelin

ANo1を補足します。
あなたの文中の
「乾燥度が0.8の飽和蒸気と0.95の飽和蒸気は温度が同じであれば
圧力は同じである」
の表現は、誤解を招くものがあるので、それを正確に表現すれば、
「湿度が８０％の空気Ａがその温度を変えずに飽和状態になった場合の飽和水蒸気圧Ｐａと、Ａと同じ温度の湿度が９５％の空気Ｂがその温度を変えずに飽和状態になった場合の飽和水蒸気圧Ｐｂとは、同じである」
となります。その答えはＹＥＳです。

また、あなたの後半の質問
「乾燥度の変化によって飽和蒸気の温度と圧力の関係が変化するのかしないのか」
という表現も、
「空気の湿度が変わっても、その温度が同じであれば、飽和水蒸気圧は同じであるのか」
というように表現を変えると、正確な質問になります。その答えもＹＥＳです。

お礼

matelin様

早速のご回答ありがとうございました。
3点確認させていただいてもよろしいでしょうか。

私の質問は蒸気のことなのですが、よく乾燥度で評価をすることがあります。
乾燥度が1.0ではない、つまり0.95や0.8の蒸気は飽和蒸気ではないということでしょうか。
http://www1.ocn.ne.jp/~echoland/siryo/p_h/p_hsenzu3.html
上記HPからすると飽和蒸気の間は乾燥度が0-1.0まで変化し、例えば0.8の場合は蒸気が80％
液相が20％というようなことが書かれています。つまり、この間は全て飽和蒸気であり、その中で
蒸気の割合が変わるのだと思っていました。この理解は間違っていますでしょうか。

http://www.ryutai.co.jp/shiryou/steam/steam-mitsudo-1.htm
この表の意味をご存知でしょうか。
乾燥度が100％の蒸気の場合という意味でしょうか？それとも違うのでしょうか。

乾燥度0.8で121?の蒸気と0.95で121?の蒸気は同じ圧力となるでしょうか？

申し訳ありません。教えていただけたら幸いです。

よろしくお願いします。

回答No.1

matelin

こんにちは。
お答えしましょう。

あなたの質問に答えるには、まず、気液平衡について理解する必要があります。
密閉した部屋に大きな容器を置き、その中に多量の水を入れた、とします。
以下の変化中、部屋の温度は一定であるとします。
最初、部屋の空間には水蒸気が全然なかったとします。
容器の水面からどんどん蒸発が起こり、部屋の水蒸気が増加していきます。
部屋の空間に水蒸気が一定量たまると、次の現象が起こり出します。
水蒸気の分子達が部屋の空間を飛びまわっている間に、
容器の水面に飛び込んで来て、水に戻る、という現象です。
この時にも、容器の水面からは蒸発して水蒸気になる水分子は、相変わらず、あります。
そこで、
１秒間に容器の水面から飛び出して、水蒸気になる水分子の個数を、Ａ[個／秒]とし、
その同じ１秒間に部屋の空間から容器の水面に飛び込んできて、
水に戻る水分子の個数を、Ｂ[個／秒]としましょう。

Ａは部屋の温度によって決まる量です。温度が高いほうがＡは多くなります。
Ｂは部屋の空間を飛びまわっている水蒸気分子の量によって決まる量です。
部屋の水蒸気量が多いほど、Ｂは多くなります。

さて、上の話で、最初は、Ａ＞Ｂであったはずですが、
時間が経ち、部屋の水蒸気量が増えてくると、Ｂの値がどんどん増えてきますが、
Ａの値は変化しません（理由は、部屋の温度が一定であるから）。
従って、やがてＡ＝Ｂになります。このとき、気液平衡が成立したといいますが、
こうなると、もはや部屋にある水蒸気量は増えなくなる、ことは、おわかりでしょう。
容器の水の量も、減らなくなり、見かけ上、蒸発が止まったかのようにみえます。
これが、湿度１００％の状態であり、部屋の水蒸気は飽和状態にある、と言われる状態です。

あなたの質問文中の「飽和水蒸気圧」とは、
上の飽和状態における部屋の水蒸気の圧力のことです。
この水蒸気圧は部屋の水蒸気量に比例しますから、
水蒸気圧と言う代わりに、水蒸気量といってもかまいません。
また、「乾燥度」とは普通は「湿度」と言っているものであり、
まだ飽和状態に達していない、部屋の水蒸気量が、
飽和状態に達した場合の水蒸気量の何％になっているのかを表す数値です。

あなたの質問「例えば乾燥度が0.8の飽和蒸気と0.95の飽和蒸気は温度が同じであれば
圧力は同じであると考えてよいものでしょうか。」に対する答えは、ＹＥＳです。