冷たい水を入れたコップを置いておくと、外側に水滴が付きました。
この水は、どこから来たのでしょうか。
コップの中の水が、外へしみ出した。そんなふうに見えるかもしれません。でも、穴やひびのないガラスのコップで、外側をぬらさずに水を入れたなら、考えたいのは別の場所です。
周りの空気にも、水が含まれています。
見えない水蒸気が、水滴に変わる
空気中には、気体の水である水蒸気が含まれています。水蒸気そのものは、目には見えません。
冷たいコップの表面で周りの空気が冷やされると、条件によっては、その水蒸気が液体の水に変わります。これが外側に付く水滴です。
このように、水蒸気が冷やされて水滴になる現象を結露といいます。
「中の水が外へ移った」のではなく、外の空気にあった水蒸気が、液体になったのです。
中の水は、何をしている？
では、コップの中の冷たい水は、関係がないのでしょうか。
もちろん、関係があります。中の水はコップを冷やし、その表面で空気が冷やされる原因になっています。
ただし、「冷やしているもの」と「水滴のもとになったもの」は違います。
| 役割 | 何が当てはまるか |
|---|---|
| コップを冷やす | 中の冷たい水や氷 |
| 外側の水滴のもとになる | 周りの空気中の水蒸気 |
原因に関わっているからといって、その物がそのまま水滴になったとは限りません。
冷たければ、必ず水滴が付く？
ここで「冷たいコップには必ず水滴が付く」と覚えるのも、少し急ぎすぎです。
水滴ができるかどうかには、コップの表面の温度だけでなく、空気中の水蒸気の量も関係します。
空気を冷やしていったとき、水蒸気が水滴になり始める温度を露点といいます。コップの表面が周囲の空気の露点より低くなると、結露が起こります。
同じくらい冷たいコップでも、空気が乾いているときと湿っているときでは、水滴の付き方が違うことがあります。
実験では、まず外側を乾かしておく
水滴の出どころを調べたいのに、水を入れるときに外側へこぼしてしまったら、どうでしょうか。
後から見つけた水が、こぼした水なのか、結露した水なのか、分からなくなります。
だから、外側を乾かしてから変化を見ることに意味があります。実験の手順は、ただ順番を覚えるだけのものではありません。
別の原因を混ぜずに、確かめたい変化を見るための準備なのです。
最後に、一問だけ
ふたをした冷たいペットボトルの外側にも、水滴が付きました。ボトルに穴はなく、初めに外側は乾いていたとします。
「ふたをしているから、外側に水滴はできないはずだ」
この説明は正しいでしょうか。
正しくありません。外側の水滴のもとは、ボトルの中ではなく、周りの空気中の水蒸気です。ふたをしていても、表面が十分に冷えていれば結露は起こります。
水滴を見つけたら、まず「この水は、もともとどこにあったのか」と考えてみてください。水の出どころを追うと、変化の説明がはっきりします。
編集補足：水滴を作る材料と、冷やす役割を分ける
ここからは結露の説明を確かめる自作例題です。水滴を見て「冷たいから」と答えるだけでは、水がどこから来たかは説明できていません。温度を下げたもの、水滴の材料になったもの、観察した場所の三つを一組にして書くと、理由がつながります。 例えば冷たい金属板にも水滴は付きます。中に水を入れる構造がなくても、周囲の空気が十分に冷やされれば結露するからです。水が入った容器でなければ水滴が付かないという規則ではありません。反対に、容器に冷たい水が入っているという情報だけで、どんな空気でも同じ量の水滴ができるとは決められません。 模式図は、コップの内側から水が壁を通り抜ける経路ではなく、周囲の空気にある水蒸気が外面へ移る経路を示しています。実物では水蒸気の矢印は見えません。見える水滴を手がかりに、変化の前には気体の状態で空気中にあったと考えます。
例題1：水滴が付き始める温度を読む
ある部屋で金属板をゆっくり冷やすと、表面が14℃になったころに水滴が付き始めました。この観察で得た露点を14℃とします。同じ空気の中で、表面が18℃の容器Aと10℃の容器Bを置きました。初めはどちらも乾いており、温度は保たれているとき、外側に結露が生じるのはどちらですか。 答え：容器Bです。 Bの表面10℃は露点14℃より低く、表面近くの空気が冷やされると水蒸気の一部が水滴になります。Aの表面18℃は露点より高いので、この条件では外側に結露は生じません。 ここで比べるのは容器の表面温度です。中の飲み物が10℃だから表面も正確に10℃だ、と勝手に置き換えないでください。容器の材質や厚さ、置いてからの時間によっては内側と外側の温度に違いがあります。この例では、表面の値を与えているので判断できます。
例題2：ふたをした容器が重くなった
ふたを閉めた冷たい容器の全体を量ると、初めは240gでした。後で外側に水滴が付き、全体は243gになりました。容器は漏れておらず、ふたの開閉もなく、増加の原因は外側に付いた水だけとします。増えた3gの水は、どこから来たのでしょうか。 答え：周りの空気に含まれていた水蒸気から来ました。 243−240＝3gは、量っている範囲に外から加わった水です。容器の中の水が冷えて3g増えたわけではありません。外側に付いた水も、はかりは一緒に量っています。 ふたをしていても、外側の表面と空気の接触は続いています。「ふたをした」という条件が止めるのは、主に容器の口を通じた中身の出入りです。外から表面へ水が付くことまで止める条件ではないのです。どこを閉じたのかを図で確かめると、密閉という言葉の使い方がはっきりします。 実際の測定で3gという差をそのまま結露だけに帰すには、初めから外面がぬれていなかったこと、途中で水をこぼしていないことなども確かめます。この例は原因を限定した計算問題なので差を求められますが、観察記録にない条件まで自分で補うことはできません。 説明の仕上げには、最初と最後の状態を一文にしてください。「空気中の水蒸気が、冷たい表面付近で冷やされ、液体の水になった」。水の場所と状態の両方が入れば、単に「水が出た」と書くよりも、コップの壁からしみ出したという誤解を防げます。