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水蒸気(すいじょうき、稀にスチームともいう)は、気化した蒸気。空気中の水蒸気量、特に飽和水蒸気量に対する水蒸気量の割合を湿度という。

目次

水蒸気と湯気編集

水蒸気は無色の気体であり、目には見えない。は液体である水滴と水蒸気を含む空気の気体との混相だが、水滴により可視化される。その他、、湯気など白く見えるものは、水蒸気を含む空気と水滴のうちの水滴である。

なお、湯気(ゆげ)は水蒸気がより温度の低い場で冷えて凝結し、水滴となったために白く見えるもの。たとえば、やかんで湯を沸かした際、その口から湯気が噴出しているところを見ると、口の近くだけは透明に見える。この部分は水蒸気であり、外気に触れて気体の温度が低下し凝結した水滴と水蒸気の混相が湯気である。

湯煙編集

火山が多く天然に湧く温泉が随所で見られる日本では、温泉特に熱泉の水蒸気が空気中で急激に冷やされて湯気となり煙のように白く沸き立ち上っているように見える様から、古くから湯煙(ゆけむり)と呼ばれ親しまれた。

例として、南紀徳川史に収められた「十寸穂の薄(ますほのすすき)」の四巻「牟婁郡」には、紀州湯峯温泉の説明書きとして「湯口は非常に熱く、湯煙が立ち昇って近辺は霧のようになっており、雲が無いときはより顕著で、食べ物を煮たり白米を浸して暫く置くと御飯となるが、大根は煮るのが難しい」と書かれている。

水と蒸気編集

一定圧力下で常温の水をゆっくり加熱すると[注釈 1]、ある温度(大気圧 760 mmHg のもとでは 100 )で蒸気に変わる[注釈 2]。加熱に伴って水が蒸発し全体の体積が増加するが、その間温度は一定のまま変わらない。すべての水が蒸発して気体となった後、ゆっくりとさらに加熱すると、蒸気の温度は再び増加し始める。

 
水の P-v 線図

蒸気となった水を冷却すると、同じ経路を逆にたどって、蒸気は凝縮して液体の水になる。以上の変化は、水に限らず一般の物質に共通している。一部の水(液体)が蒸発を始める温度を、その圧力における飽和温度とよび[注釈 3]、逆にその圧力を、その温度における飽和圧力(飽和蒸気圧)とよぶ。標準大気圧の水の飽和温度は 100 ℃ であり、100 ℃ の水の飽和圧力は 760 mmHg = 1013.25 hPa である。飽和温度は圧力が上昇すると共に上昇する。

飽和温度の水(液体)を飽和水(水以外では飽和液)、蒸気を飽和蒸気とよび、飽和温度以下の温度の水(液体)をサブクール水(水以外ではサブクール液)、飽和温度以上の温度の蒸気(気体)を過熱蒸気(水以外でも同じ)とよぶ。サブクール水または過熱蒸気の熱力学的状態は、二つの状態量(通常は圧力と温度)で指定することができる。

 
水の T-s 線図

蒸気泡を含んだ水や水滴を含んだ蒸気は一般に湿り蒸気とよばれる。水と蒸気が熱力学的平衡(圧力と温度があい等しい)であれば、飽和水(液)と飽和蒸気の混合物である。湿り蒸気であれば圧力は飽和圧力であり、温度は飽和温度である。湿り蒸気の熱力学的状態は圧力または温度に加えて、次式の乾き度英語版 χ を用いて指定することができる。

 
 :気体の質量、 :全体の質量
 
水の h-s 線図

圧力が高くなると、気体の飽和蒸気の比体積(単位質量あたりの体積)は小さくなり、一方飽和水の比体積は飽和温度が高くなるため少しずつ大きくなり、ある圧力で飽和水と飽和蒸気の状態は一点に合体する。この状態は臨界点とよばれ、臨界点以上の圧力では液体と気体の区別をつけることはできなくなる(⇒超臨界流体)。水の臨界点は、圧力 220.64 bar (22.064 MPa; 217.75 atm) 、温度 373.95 °C (647.10 K) 、比体積 0.0031700 m3/kg である。

湿り蒸気を密閉容器の中でゆっくり冷却すると、蒸気の一部が凝縮すると共に温度と圧力が低下する。湿り蒸気を維持したままある温度に達すると、湿り蒸気の一部に氷が生じ、温度も圧力も変化しなくなる。この状態を三重点とよび、水の場合は、温度 0.01 °C (273.16 K)、圧力 0.006112 bar (0.0006112 MPa; 0.006032 atm) である。水の三重点は国際単位系の温度定義の基準点に用いられている。

三重点の水をさらに冷却すると、水が氷に変化(凝固)し、水がなくなると温度と圧力が再び低下し始め、蒸気が氷に変化(固体と気体間の状態変化を総じて昇華という)する。液体の水は、三重点と臨界点の間の限られた圧力範囲で存在することになる。これらの事がらは、水に限らず一般の物質に共通した性質である。

飽和蒸気と過熱蒸気編集

蒸気機関では、凝結水が発生しないなどの利点があるため、 たとえば、蒸気機関車では、日本の場合、 初代9600形(9580形)が最初期であるが、 以降の中型以上の機関車はほぼ過熱式であり、 国鉄制式機関車ではB20形のような特殊な例外を除き 全て過熱式である。

水蒸気の利用編集

水蒸気は古くから、蒸し料理蒸し風呂に利用されてきた。圧力釜オートクレーブもほぼこれを利用している。

水蒸気を利用した蒸気機関は、産業革命における動力源として重要な役割を担った。現代ではレシプロ式は衰退の一途をたどったが、汽力発電火力発電原子力発電)で蒸気タービンの駆動に利用されている。

そのほか、水蒸気を熱媒とした蒸気暖房や、高温を利用した清掃用具(スチームクリーナー)がある。

注釈編集

  1. ^ 水全体の温度が均一になる程度にゆっくりと加熱するとする。強く加熱すると加熱面近くの水の温度が上昇し、場合によってはそこから蒸気泡が生じる。液中から蒸気泡が生じる蒸発を沸騰とよぶ。
  2. ^ 気体の占める部分は空気等を除去し、液体と同じ圧力の水蒸気だけとする。
  3. ^ 標準大気圧 760 mmHg での飽和温度を特に沸点とよび区別する。水の沸点は 100 ℃(正確には 99.9743 ℃)である。沸点という用語は、圧力を標準大気圧に限定せずに、広く飽和温度の意味で用いられる場合もある。

参考文献編集

関連項目編集