化学

気圧が下がると沸点も下がる?圧力と沸点の関係を理系ライターがわかりやすく解説

よぉ、桜木建二だ。標高3600m以上ある富士山山頂でお湯を沸かすと、87℃で沸騰してしまう。言わずと知れた豆知識。

また、圧力鍋でお湯を沸かすと逆に100℃を超えても沸騰しない。圧力鍋の中では「100℃以上の水」が存在できるわけだ。

このように圧力、気圧が変わると沸点も変わってしまう。この記事では、その理由について理系ライターR175と解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

R175

ライター/R175

関西のとある理系国立大出身。エンジニアの経験があり、身近な現象と理科の教科書の内容をむずびつけるのが趣味。教科書の内容をかみ砕いて説明していく。

1.圧力と沸点

image by iStockphoto

普段、(ほぼ)大気圧下にいる私たちにとって水が100℃で沸騰するのは「当たり前」のことですが、気圧が変わるとそうではなくなってしまう。

そのため以下のような現象が起こるのです。

・気圧の低い富士山山頂ではお湯は100℃まで到達せず蒸発。

・圧力鍋ではスープの沸点が高いため、高温にしても沸騰しにくい。

気圧が高いほど沸点も高く、気圧が低いほど沸点も低くなります。

なぜでしょうか。「気圧」および「沸騰」について理解すればそうなる理由がうなずけますよ。

2.「圧力」と「気圧」について

そもそも、圧力、気圧って何でしょう。

圧力とは何かが何かを「圧(お)す」力。力とほぼ同じ意味で異なるのは表し方のみ。力を作用面の面積で割り算しているだけです。

気圧は字のまんま「気体」の「圧力」。固体から作用する場合も、液体から作用する場合も、気体から作用する場合もすべて「圧力」ですが、気体から作用するものを特に「気圧」と呼んでいるのです。

以上、まとめると気圧は「気体」が「圧してくる」力。

気圧の発生

気圧の発生

image by Study-Z編集部

気圧は「気体粒子」が圧してくる力。そのような力はどうやって発生するのか?

気体の構成要素はいたってシンプル。イラストのように気体分子が無数にふわふわと存在しています。ふわふわと自由に浮かんでいたら、そのうち隣同士でぶつかりますね。ぶつかるということは圧し合う力が発生しますね。

そう、気体粒子がぶつかり合って、圧しあいへし合いすることで発生する力こそが「気圧」の正体。

気圧が高い状態とは、この気体粒子が密に存在している時。

気圧が高いと

気圧が高いときは、気体粒子が互いに圧しあいへし合いしてますから、基本的に周囲の物質を追い出そうとします。

気体粒子が満員状態ですから、当然といえば当然。

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気体中には、気体分子がふわふわと浮いていて、それらがぶつかることで発生する力が気圧だ。

気圧が高いときは、気体粒子が過密状態だとイメージしてくれ。

3.蒸発と沸騰

3.蒸発と沸騰

image by Study-Z編集部

液体を温めていきましょう。何が起こるでしょうか。

液体の分子運動が激しくなりますね

しまいには分子1つ1つが飛び出してい行きます。沸騰とは、液体分子の一部が気化して泡になっている状態。ぶくぶくと泡が発生しているのはそのため。

そして、沸騰し始める時の温度が沸点

気液平衡

気液平衡

image by Study-Z編集部

実は沸点に達していなくても、液体はちょっとずつ気体に変化しています。いわゆる蒸発という現象。液体表面の分子は、内部の分子に比べ、他の分子に拘束されにくくフリーなため、しばしば勝手に飛んでいき気体となります。これが蒸発。

第一層の分子がいなくなると、第二層目の分子も拘束されにくい状態に。またしても勝手に飛んでいきます。

とはいっても、無限に蒸発し続けるわけではありません。蒸発が進むと気体側は満員状態に。こんどは逆に、気体分子同士がぶつかってエネルギーを失い、液体に戻ってしまいます(凝縮)。沸点より低い温度では、このようにして、気体と液体がバランスよく存在。気液平衡という状態。

沸騰しやすい条件

沸騰しやすい条件

image by Study-Z編集部

沸騰する=分子が1つ単位で飛び出していく。イラスト左にのように、とくに何にも邪魔されていない状態と、右のように圧力によって邪魔されている場合どちらが分子は飛び出していきやすいか。当然、左の状態ですね。

左側は周りからあまり邪魔されていない状態=気圧が低い状態で、右側が気圧が高く周りからいろいろと圧されている状態。

気圧と沸点

気圧が高いほど、分子が飛び出していくのが「大変」。飛び出していくのにたくさんエネルギー(温度)が必要。

つまり、気圧が高いほど邪魔が多いため沸騰するのに「高い温度」が必要。気圧が低いとあまり邪魔されないので「低い温度」でもとっび出していくことが可能。

気圧が高いほど沸点が高い所以です。

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気圧が高いほど、気体分子が満員状態で邪魔が激しい。蒸発しにくい状態だ。それでも頑張って蒸発するためには「高い温度」が必要になる。

4.蒸気圧曲線

上述のような気圧と沸点の関係をグラフ化したのが、蒸気圧曲線

気圧がいくらなら、沸点が何℃ですよという表し方より「蒸気圧」という表し方が一般的。

そこで、蒸気圧という概念をマスターしておきましょう。

蒸気圧とは

蒸気圧とは

image by Study-Z編集部

水の例で説明します。蒸気圧とは「それ以下の加圧にしたら、水が蒸発してしまう」というぎりぎりの圧力。

上述の話から、圧力が高いと(液体の蒸発を邪魔するため)水は液体で存在。圧力が低いと、(蒸発の邪魔が少ないので)水は気体に。

では、「どれくらい加圧していれば気体にならないか」の圧力が蒸気圧。蒸気圧以上に加圧しておけば液体、蒸気圧以下の加圧だと気体。

すこし視点が変わっていますが、先ほどの「気圧が高いほど沸騰しにくい」という話と理屈は同じ。

圧力が高いほど、蒸発の邪魔をするから気体になりにくいという話。

温度と蒸気圧

どれくらい加圧すれば液体として保持できるかの指標「蒸気圧」は当然温度によって変わるもの。

温度が高いほど、液体→気体になりやすいわけですから、液体状態を保つ最低限の加圧である「蒸気圧」は高くなります。より強い力で押してやらないと気体になってしますからね。逆に温度が低いと、低い加圧でも液体状態を保てます。蒸気圧が低くなる所以。

蒸気圧曲線と沸点

温度と蒸気圧の関係をグラフ化したのが蒸気圧曲線。

イラストに水の蒸気圧イメージを示します。100℃の時の蒸気圧、見覚えがある数値ですね。

そう、大気圧。100℃という温度なら、大気圧分加圧していれば水をぎりぎり液体に保てますよという意味。

100℃という温度で大気圧より小さい加圧しかしなければ、水は気体になってしまいます。富士山山頂のように気圧が低い場所だと、大気圧分の加圧ができないため、100℃の水は気体になってしまうのです。

逆に87℃の時の蒸気圧は?そう、0.07MPa。富士山山頂の気圧でも87℃であれば水をぎりぎり液体に保つことが可能。

ぎりぎり液体に保てる温度が沸点なので、富士山山頂での沸点は87℃ということ。

圧力鍋で高温調理

水は大気圧下だと、100℃で沸騰。普通の鍋だと100℃以下でしか調理できません。もっと高温で調理できたら、よく火も通って衛生的だし、おいしくしがる場合もありますね。それを実現するのが圧力鍋。

ここで問題。大気圧の2倍の圧力(0.2MPa)をかけて調理できる鍋があります。この鍋で水を加熱したら、何℃まで上げることが可能でしょうか。蒸気圧曲線から読み取ってみましょう。

蒸気圧曲線より。蒸気圧が2気圧の時の温度は約120℃。大気圧の2倍加圧していれば、120℃までの水なら液体として保つことが可能。圧力鍋の目的の1つは高い温度で調理すること。

気圧と沸点

液体はどうしても気体になろうとしますが、まわりの気圧がこれを阻止。

気圧が高ければ高いほど、気体からの妨害が大きいため、液体は気体になりにくい。より高い温度にならないと気体になれません(沸点が高い)。

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