「水は100℃になると、水蒸気になる」
こう覚えていると、少し困ることがあります。干しておいたぬれたタオルが乾いたとき、その水は100℃になったのでしょうか。
そうではありません。水は、沸騰しなくても蒸発します。
100℃という数字を覚える前に、「蒸発」と「沸騰」を分けて考えてみましょう。
泡が出なくても、水は気体になる
液体の水は、表面から少しずつ水蒸気になって空気中へ出ていきます。これが蒸発です。
水の中から泡が出ていなくても、起こります。ぬれたタオルが乾くのも、タオルに含まれていた水が蒸発するからです。
「泡がないから、水蒸気になっていない」とは言えません。水の表面で起きている変化にも目を向けましょう。
沸騰では、内部からも水蒸気になる
一方、水が沸騰すると、水の内部でも水蒸気ができ、泡となって上がってきます。
蒸発と沸騰は、どちらも液体の水が気体の水蒸気になる変化です。ただし、変化が起きる場所が違います。
| 変化 | どこで水蒸気になるか |
|---|---|
| 蒸発 | 水の表面 |
| 沸騰 | 水の表面だけでなく、内部でも |
水蒸気になることと、沸騰することは、同じ意味ではありません。
100℃は、何の温度？
ふつうの大気圧、つまり1気圧では、純粋な水は約100℃で沸騰します。
これは「水が水蒸気になり始める温度」ではありません。100℃より低い温度でも、表面からの蒸発は起きています。
また、沸騰する温度は気圧によって変わります。山の上のように気圧が低い場所では、水は100℃より低い温度で沸騰します。
「100℃」だけを切り離して覚えず、何の温度で、どんな条件の話なのかまで確かめてください。
温めると乾きやすいのは、なぜ？
それなら、水を温めても蒸発には関係がないのでしょうか。
そうではありません。ほかの条件が同じなら、水の温度が高いほど蒸発は盛んになります。
ここで分けたいのは、蒸発するかどうかと、蒸発の速さです。
低い温度でも蒸発はする。温度が高くなると、より盛んになる。「100℃になるまで何も起きない」という変化ではないのです。
最後に、一問だけ
20℃の部屋に干したぬれたタオルが、時間がたつと乾きました。
「水は沸騰していないので、水蒸気にはなっていない」
この説明は正しいでしょうか。
正しくありません。沸騰していなくても、水は表面から蒸発して、水蒸気になっています。
タオルが乾くことと、やかんの水が沸騰すること。見た目は違っても、どちらにも液体の水が気体になる変化があります。
用語を覚えたら、身近な現象に当てはめて説明してみる。その説明がつながるかどうかで、覚えた内容を確かめてください。
編集補足：水の行き先を、容器の境目で追う
ここからは、蒸発と沸騰の違いを数量や実験の条件へつなげる自作例題です。水の姿が見えなくなったときに、物質まで消えたと考えないことが出発点になります。液体が減ったという観察と、容器全体の重さが減ったという観察は、同じ結果とは限りません。 ふたのない皿なら、水蒸気は周囲の空気へ出ていけます。一方、十分に密閉された入れ物では、内部の水が蒸発しても、その水蒸気は入れ物の中に残ります。内側の壁に再び水滴ができる場合もあります。液体だけを見れば位置や量が変わっていても、空気や水滴まで含めた全体から何も出なければ、全体の質量は変わりません。 図では水面から出る矢印と、水中で生じる泡を分けました。蒸発は水面で進む変化で、沸騰は内部でも水蒸気の泡ができる変化です。矢印は目に見える水蒸気の形を描いたものではなく、水の行き先を示しています。白い湯気を気体そのものと読み替えないことも大切です。
例題1：水が減った皿と、閉じた箱
室温で、開いた皿に入れた水80gが、時間の経過後に74gになりました。こぼれたり飛び散ったりせず、減少は蒸発だけによるものとします。周囲へ移った水は何gですか。また、同じ皿を、空気も含めて出入りのない透明な箱に入れた場合、箱全体は必ず6g軽くなりますか。 答え：開いた皿から移った水は6gです。密閉した箱全体が6g軽くなるとは言えません。 80−74＝6gは、皿の液体から周囲へ移った分です。箱に入れた場合には、箱内の空気中に水蒸気として残ったり、壁に付いたりします。箱の外へ水が出ていなければ、箱全体を量った値は変わりません。 さらに、開いた皿と密閉した箱では、周囲の湿り方が同じとは限りません。同じ時間を待てば必ず6g蒸発する、とまで数値を移すことはできません。問題文から計算できる量と、条件が変わったため決められない量を区別しましょう。
例題2：底の小さな泡だけで決めてよい？
純粋な水を通常の大気圧で温めたところ、温度計は50℃を示し、容器の底に小さな泡が付きました。「泡があるので、この水はもう沸騰している」と判断してよいでしょうか。温度計の測定は正しく、特別に低い気圧ではないとします。 答え：その条件では、沸騰したとは判断できません。 加熱の初めに見られる泡には、水に溶けていた空気が出てきたものがあります。水蒸気の泡が内部で次々にできる沸騰とは区別します。泡という形だけでは、中の気体の種類は分かりません。 この例で使った50℃は、空気の泡が必ず現れる決まった温度という意味ではありません。与えられた観察の一例です。何℃でも泡が出れば沸騰とするのではなく、水の種類、周囲の気圧、測った温度、泡が生じ続ける様子をそろえて説明します。 温度計の数字を読む問題でも、数字だけに答えを任せないようにします。温度が一定になったとき、加熱をやめたのか、加熱を続けながら状態が変わっているのかで意味は異なります。「温度が上がらないから熱を受け取っていない」と短絡せず、火を付け続けているという条件まで確認してください。液体を気体へ変えるためにも熱が必要です。