気圧と沸点の関係について。気圧によって沸点が変化する仕組みとは?

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    さて気圧と沸点にはとても密接な関係があるのを知っていますか?

     

    そして周囲の気圧が変化することで液体の沸点も変化しますが、
    なぜ気圧が変化すると沸点も変化するのでしょうか。

     

    意外に気圧と沸点の仕組みを理解できていない人も多いように感じます。

     

    そこでこのページでは気圧と沸点の関係について
    また気圧によって沸点が変化する仕組みを簡単にまとめています。

     

    どうぞご覧ください。

     

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    1.気圧と沸点の関係について

     

    では気圧と沸点の関係について見ていきましょう。

     

    まず結論から言うと気圧と沸点の関係は下記のようになります。

    • 周囲の気圧が低くなる ⇒ 沸点が低くなる
    • 周囲の気圧が高くなる ⇒ 沸点が高くなる

     

    沸点(ふってん)とは液体が沸騰するときの温度で、
    水の沸点が約100度というのはご存知だと思います。

     

    しかし水の沸点が100度というのは、あくまでも周囲の気圧の大きさが1気圧における場合です。

     

    1気圧というのは地上における気圧の大きさを表していて、
    高度が高くなればなるほど1気圧よりも低くなっていきます。

     

    目安として富士山(3776m)だと周囲の気圧の大きさは約0.6気圧になり、
    気圧の大きさが0.6気圧における水の沸点は約87度にまで下がります。

     

    なので水を熱して100度で沸騰するのは地上(1気圧)における場合のみで、
    周囲の気圧の大きさによって水(液体)が沸騰する温度は異なります

     

    そして日常的に気圧と沸点の関係を利用したものに圧力鍋(圧力釜)があります。

     

    簡単に言えば圧力鍋というのは鍋の中の圧力を調整することで、
    より高温で食材を煮込んだりすることができる調理器具のことです。

     

    なぜ圧力鍋を使用すればより高温で食材を煮込むことができるのか?

     

    それは圧力鍋の中の気圧(圧力)が高くなるので、
    水が沸騰する温度が上がるため通常よりも高温で煮込むことが可能になるからです。

     

     

    水の沸点というのは周囲の気圧の大きさが1気圧であれば100度です。
    ということは周囲の気圧が1気圧なら水(液体)が100度で水蒸気(気体)になってしまうということです。

     

    加熱して煮込んでいくと少しずつ沸点に達した水分が水蒸気に変化していき、
    普通の鍋であればその水蒸気は鍋のふたの隙間から外へと出ていきますよね。

     

    ですが圧力鍋の場合は沸騰した水が水蒸気になっても、
    鍋の中がある程度の高圧にならない限り水蒸気が漏れない造りになっています。

     

     

    なので水蒸気がどんどんたまっていくことで鍋の中が水蒸気による気圧で圧力が高くなるため、
    沸騰しにくくなるので水の沸点が上がり通常よりも高温で煮込むことができるというわけです。

     

    このように気圧と沸点には密接な関係があるんですね。

     

    では気圧と沸点の関係についてはどういうものなのか理解していただけたかと思いますので、
    次の章で仕組みについて図を用いていきながら分かりやすく解説していきます。

     

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    2.気圧によって沸点が変化する仕組みとは?

    気圧によって沸点が変化する仕組みについて見ていきましょう。

     

    気圧によって沸点が変化するのは液体すべてに言えることですが、
    ここでは私たちに馴染みがある液体の水で解説していきます。

     

    結論から言ってしまうと気圧によって沸点が変化する仕組みは、
    空気中に存在する空気分子の量で、空気中への水分子の出やすさが変わるからです。

     

    どういうことなのか順番に解説していきます。

     

    水の温度は水分子の動きで決まる

    まず気圧によって沸点が変化する仕組みを理解するためには、
    物質(空気や水)が分子という小さい粒で構成されていると認識する必要があります

     

    これによって水や空気は下図のようなイメージになります。

     

     

    上図のように枠の中に水分子や空気分子がたくさん存在することで、
    水(液体)や空気(気体)ができていると考えてください。

     

    そして分子というのは常に動いていて、分子の動きはその物質の温度に大きく関係しています。

     

    分子の動きが激しければその物質の温度は高くなり、
    分子の動きが穏やかであればその物質の温度は低くなります

     

     

    このように物質の温度を決めているのは、
    その物質を構成している分子の動きによるものになります。

     

    水(液体)から水蒸気(気体)に変わるときの分子の動き方

    次は水を加熱して沸騰させることで、
    水(液体)が水蒸気(気体)に変化するイメージについて見ていきましょう。

     

    水を加熱していくと少しずつ水の温度が上がっていきますが、
    それは水を構成している水分子の動きが激しくなっているということを意味します。

     

    また水(液体)でいる状態というのは、
    水分子が集合してお互いが繋がり合っている状態になります。

     

    そして加熱され水の温度が上がることで水分子の動きが激しくなってくると、
    その水分子同士の繋がりから外れる水分子が出てきます。

     

     

    上図のように加熱して水の温度を上げていくと水分子の動きが激しくなり、
    水分子同士の繋がりから外れるので空気中に水分子が飛び出てしまいます。

     

    簡単に言えば、水分子同士の繋がりから水分子が外れるということが、
    水(液体)から水蒸気(気体)に変化するってことなんですね。

     

    なので沸点というのは水だけに限らず液体がその液体分子の繋がりから、
    液体分子を空気中に放つために必要な動きの激しさを表している温度になります

     

    気圧で水分子の出やすさが左右される

    さてここが最も重要なポイントになります。

     

    まず物質の分子という観点から見てみると、
    周囲の気圧が変化することで一体何が変わるのでしょうか?

     

    それは空気中に存在している空気分子の量が変わります

     

    一般的に周囲の気圧が高い状態というのは空気分子が多く存在している状態で、
    反対に気圧が低い状態というのは空気分子が少ない状態になります。

     

    だから山など高度の高いところでは、
    空気分子の量が少ない(空気が薄い)ので気圧が低くなるんですね。

     

     

    この空気中に存在している空気分子の量が変化することによって、
    水(液体)が水蒸気(気体)に変化し始める温度も変わるのです。

     

    では空気中に存在する空気分子の量が変化することで、
    水分子の出やすさにどのような違いがあるのか下図をご覧ください。

     

     

    このように存在する空気分子が少なければ簡単に水分子は飛び出せますが、
    空気中に存在する空気分子が多ければ水分子が空気中に出にくくなります

     

    なので空気中に空気分子が多く存在しているほど、
    水分子が空気中に出るには大きなエネルギーが必要になります。

     

     

    そしてその大きなエネルギーというのが、
    加熱することで水分子の動きを激しくすることです。

     

    だから気圧が高い(空気分子が多い)ほど大きなエネルギーが必要になるので、
    水分子の動きを激しくするために液体の沸点が高くなります。

     

    以上が「気圧と沸点の関係について。気圧によって沸点が変化する仕組みとは?」でした。

     

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    3.まとめ

    これまで説明したことをまとめますと、

    • 周囲の気圧が高ければ沸点も高くなり、気圧が低ければ沸点も低くなる。
    • 仕組みとしては、空気中の空気分子の量で水分子の出やすさが左右されるから。
    • 空気分子が多ければ、空気中に水分子が出やすくなる(水蒸気になりやすくなる)。
    • 空気分子が少なければ、空気中に水分子が出にくくなる(水蒸気になりにくくなる)。

     

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