「水は100℃で沸騰する」 この言葉を覚えたら、どんな条件での話かも確認しておきましょう。純粋な水が約100℃で沸騰するのは、約1気圧のもとでの話です。高い山のように気圧が低い場所では、100℃より低い温度で沸騰します。
同じ純粋な水を、開いた容器で加熱する比較。下向きの矢印は気圧の違いを示す模式図で、長さは数値の比ではありません。泡は沸騰時の水蒸気です。
山が寒いから、ではない
山の上は寒い。だから、水が低い温度で沸騰する。 こうつなぐと、気温と気圧が混ざってしまいます。
周囲が寒ければ、水を温める途中で周囲へ熱が逃げやすくなります。一方、沸騰する温度に関わるのは、水面にかかる圧力です。 「温まるまでの時間」と「沸騰するときの温度」を別々に考えてください。
水の中の泡が、大きくなれる条件
沸騰している水の中から出てくる泡は、水蒸気です。 水の中で水蒸気の泡が大きくなるには、周囲から押す圧力に打ち勝つ必要があります。気圧が低い場所では、より低い温度でこの条件に達します。
| 比べる条件 | 沸騰する温度 |
|---|---|
| 純粋な水・約1気圧 | 約100℃ |
| 同じ水・より低い気圧 | 100℃より低い |
「山の水だから性質が違う」のではありません。同じ水でも、圧力の条件を変えると沸点は変わります。
火を強くすれば、100℃に戻る？
山で水が90℃で沸騰している、と問題に書かれていたとします。これは説明用の条件で、どの山でも90℃になるという意味ではありません。
開いた容器で、気圧が変わらず、液体の水が残っているなら、さらに加熱しても、水全体の温度はおおむねその沸点に保たれます。加えた熱は主に、水が水蒸気に変わるために使われます。
火を強くすれば必ず100℃になる、とは考えません。沸騰する勢いが増すことと、沸点が上がることは別です。
最後に、一問だけ
「高い山で水が100℃より低い温度で沸騰した。火力が弱かったのが原因だ」 この説明の、確かめたい条件は何でしょうか。
まず見るのは気圧です。火力だけで判断せず、その場所の気圧と、水が実際に沸騰しているかを分けて確認します。
100℃という数字だけで終わらせない。その数字が使える条件まで読むと、見慣れない実験にも対応しやすくなります。
参考資料：
- 静岡県「なるほど！？富士山」 https://www.pref.shizuoka.jp/kankosports/kanko/mtfuji/1002778/1019409.html
- 科学の甲子園ジュニア2021 筆記競技解答例・解説 https://koushien.jst.go.jp/koushien-Jr/pastexam/2021/files/2021_hikki_3.pdf
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温度計が示す数字だけで、沸点を決めない
水を温めている途中で温度計が90℃を示したとします。その数字だけでは、この場所の沸点が90℃とは言えません。まだ温度が上がる途中かもしれないからです。水の内部から水蒸気の泡が続けて出ていることや、その条件で温度がおおむね一定になったことなど、沸騰している様子と合わせて読みます。 加熱し始めの小さな泡には、水に溶けていた空気が出てきたものもあります。泡が一つあったから沸騰、と即断しないでください。この記事では、同じ純粋な水を開いた容器で加熱し、その場所の圧力が変わらない場合を扱います。食塩などを溶かした水や、圧力を変える器具を使った場合は、別の条件が加わります。
例題1：火力を上げたら、沸点も上がる？
ある場所で純粋な水が92℃で沸騰しているとします。これは学習用に与えた条件で、特定の山の測定値ではありません。水は十分に残っており、容器は開いていて気圧も変わりません。加熱を強めると、この水の沸点は100℃になりますか。 答え：100℃にはなりません。この条件の沸点は約92℃のままです。 加熱を強めると、単位時間に水蒸気へ変わる量などは変わりますが、火力を上げたことをそのまま沸点の上昇に置き換えません。熱を加えることと、温度が上がることは常に同じではないのです。 水がすべてなくなった後の容器の温度まで92℃のまま、と広げてはいけません。ここで答えているのは、沸騰中に残っている液体の水の温度です。温度計の先端が水から出ていたり、容器の底に接していたりする測定を、同じ条件の水温として比較することも避けます。
例題2：二つの加熱記録の読み分け
同じ場所で、同じ量・同じ初めの温度の純粋な水を、同じ形の容器で温めました。Aは5分後、Bは8分後に沸騰し、どちらも沸騰中は約100℃でした。この記録だけから、「Aの方が沸点が高い」と言えますか。 答え：言えません。記録された沸点は同じです。 違うのは沸騰に達するまでの時間です。加熱の強さが違う設定なら、温まり方の速さの違いとして考えます。ただし、容器や周囲への熱の逃げ方も関係するので、時間だけから火力が何倍かを単純に求めることはできません。 横軸に時間、縦軸に温度を置くなら、途中の傾きと、横ばいになる高さを分けて見ます。傾きが急な方は短い時間で温度が上がっています。横ばいの高さは、その条件の状態変化が起こる温度を示す手がかりです。氷をとかすグラフとも見比べ、熱が加わっていても温度が変わらない区間を言葉で説明してみましょう。 「山は寒い」「火が弱い」といった身近な印象を答えにする前に、水の種類、周囲の圧力、測っている対象をそろえます。実験を再現する話ではなく、資料中の条件から説明を選ぶ練習として、この順で読むことを意識してください。