水はなぜ蒸発するのでしょうか。

質問

水はなぜ蒸発するのでしょうか。

過去にも同じような疑問が多くあったのは調べてみたのですが、結局明確な答えは出ていないように思います。
1.飽和水蒸気圧に達するまで蒸発し続ける
2.水は気体のになりたがる
3.振動している液体である水分子がたまに空気中に飛び出す
などさまざまな言い回しをみつけましたが、では
1.なぜ飽和状態になるまで蒸発するのか？
2.なぜ気体になりたがるのか？
3.同様に空気中にある水分子も液体に飛び込んでくるのでは？
などと疑問はつきません。

熱力学的に考察して下さい。

回答No.2

htms42 · ベストアンサー

拡散という現象をご存知ですね。
物質の拡散とエネルギーの拡散があります。
前者は物質の分布で濃いところと薄いところがあれば濃いところから薄い方への物質の移動が起こる、後者は温度の高いところから低い所に熱の移動が起こるというものです。
この逆は自然には起こりません。熱力学はこれを原理の一つとして取り入れて組み立てられています。熱力学の第２法則がその内容に対応します。エネルギー保存則は第１法則として取り入れられています。

蒸発が起こるのはこの第２法則に基づきます。
＃１の回答は第１法則だけで考えているものです。

狭い空間の中にいる分子が広い空間の中に飛び出していくのですから気体の拡散と同じような現象です。ただ分子と分子の間には引力（＝分子間力　　分子間力がなければ液体は存在できません）が働いています。
気体として飛びだしていくためには分子間の引力を断ち切って行かなくてはだめです。このとき必要なエネルギーが気化熱の内容です。蒸発が起こればエネルギーを使いますから残りの液体の温度は下がります。
それでも蒸発は起こります。無限に時間がかかるわけではありません。

温度を決めればエネルギーは決まります。０ではありません。
多数の分子の集団ですから温度で決まるのは平均です。個々の分子の持つエネルギーはこの平均値の付近で幅を持って存在します。平均値から離れるにしたがってそういうエネルギーを持った分子の数は少なくなりますが一定の割合で存在します。蒸発が起こるというのは平均よりも大きいエネルギーを持った分子が飛び出していくということですから残った分子のエネルギーの平均値は小さくなると考えてもいいです。
温度一定を維持しようと思えば外部から加熱が必要です。でも加熱しなければ蒸発は起こらないというわけではありません。
まわりの空間が広ければいつまでたっても飽和に達するということがありませんので蒸発は続きます。
温度が低ければ蒸発のスピードは遅くなります。

蒸発のスピードが高くなるような工夫をすると周囲の熱を奪って蒸発が起こります。
扇風機を使うと涼しくなリます。皮膚の周りの空気を入れ替えて蒸発できる空間を作りだしていることになります。
以前は打ち水ということで涼しさを作り出そうとしていました。
最近はあちこちで霧状に水を噴き出させて涼しさを作り出しているというのをＴＶのニュースで見ました。
蒸発が起こるのは水の表面からです。液体の水の表面積をふやすことと蒸発していく空間を大きくすることで蒸発は盛んになります。
これからしばらくは毎日暑い日が続くようです。
ニュースで見る機会が増えるかもしれません。

回答No.1

noname#160321

１.なぜ飽和状態になるまで蒸発するのか？
かならずしも飽和状態になるまで蒸発はしません。熱が無くては無理です。飽和状態になるのは充分長い時間(早く言えば永遠)がかかります。
理由はありません。結果ですから。
つまり、出て行く水の分子の数と入って来る水の分子の数が釣り合ったところが「飽和蒸気圧」だ、と「定義」されているだけです。
２.なぜ飽和状態になるまで蒸発するのか？
別になりたがっている訳ではありません。外部から熱を貰って、その熱エネルギーによる分子運動がとなりにある分子群との「親和力」を超えると、出て行かざるを得なくなるだけです。
３.同様に空気中にある水分子も液体に飛び込んでくるのでは？
おっしゃるとおりです。１.でお答えしたとおり、出ていく数と入って来る数が釣り合ったところが「飽和蒸気圧」です。
巨視的に見ると、それ以上出ても行けないし、入ってもこれない。
微視的に見れば同数の分子が出入りしています。

補足

ではなぜ2.のとき、外部から熱をもらうのでしょうか。
液体である水分子のエネルギーが外部より大きい場合はありえないのでしょうか。