真空についての質問です。

質問

任意の密閉された1気圧の空間にコップ一杯の水が置いてあります。

この空間から徐々に空気を抜いてゆくと気圧の低下ににより沸点が下がるため、コップの水はやがて沸騰し、その後凍ってしまうと思います。

その時、この密閉された空間の温度はどう変化するのか知りたいのですが、知識がありませんので質問させていただきました。

回答No.1

nta · ベストアンサー

真空ポンプで吸引し続けるならば水蒸気も外部に排出されてしまうので、水は凍り付くこともなく、すべてなくなってしまいます。もし、水分子だけを選択して空間内に残すメカニズムがあったとすると容器内は水蒸気で満たされることになり、一定圧で圧力は下がらなくなります。
　問題は温度なのですが、温度は基本的には変わらないと考えるのが妥当だと思います。その理由としては温度は分子の平均速度で定義するのが一般的で、この場合気体分子の速度は分子同士あるいは分子が壁とがぶつかりあって速度を調整していると考えます。低圧下では気体が空間からなくなった分、気体分子同士でぶつからなくなるため気体分子の平均自由行程という衝突までの距離が長くなるだけで、ぶつかったときの分子相互作用は変わらないと考えます。また、壁との衝突においても分子一つあたりのエネルギーの授受の量は変化しません。分子一つ一つの運動エネルギーが変化しないということは分子の運動速度が変わらない＝温度が変わらないということになります。
　しかしながら、実際に実験するといろいろな現象が見られルと思います。というのは空気重いものが下に移動し軽いものは上に上がりますから、低圧下では高い山頂の雲のように断熱冷却を起こしやすくなります。これが過冷却となれば氷を作ることも可能だと思います。大きな冷蔵庫を使って低圧下を実現するなどの手法をすればご想像になるような現象が見られるかもしれません。

お礼

ズバリ知りたい回答が得られました。
ありがとうございました。

回答No.3

noname#160321

系の定義が中途半端なので解が求まりません。
断熱系なら、水は気化熱で凍り、あとは氷の飽和水蒸気をポンプで排除されれば温度は下がり続けます。
最後に氷が全部気化し終わった温度で止まります。
系が恒温系なら水がどんどん気化していくだけでおしまい。

お礼

回答ありがとうございました。

回答No.2

Mokuzo100nenn

空気を抜いても、水蒸気圧が残れば真空にはなりません。
空気と一緒に水蒸気も抜けば、H2Oが無くなったときに真空になります。

しかし、それ以前に、密閉された空間を定義したら、そこから空気を抜くという操作ができなくなりますので、思考実験が矛盾しているように思います。

お礼

回答ありがとうございました。