埼玉工業大学テーマ L09：機械工学学習支援セミナー（小西克享）加熱沸騰と減圧沸騰－1/2 加熱沸騰と減圧沸騰大気圧のもとで水を加熱すると，水温が上昇しやがて沸騰し始めます．沸騰している状態の水温（沸点，もしくは沸騰点という）は 100℃で，水が蒸発しきるまで一定のままです．このように，外部から熱量を与えて液体を沸騰させる方法を加熱沸騰と呼ぶことにします．図に示すように，加熱沸騰では，水温の変化が飽和して沸点に到達することから，熱力学では沸点のことを飽和温度といいます．沸点はどんな圧力でも一定というわけではなく，周囲の圧力が下がると沸点は低下し，圧力が増加すると沸点も増加します．そこで，一切加熱することなく外気の圧力のみをどんどん下げると，やがて液体の内部では沸騰現象が起こります．このように，周囲の圧力を下げる（減圧する）ことで液体を沸騰させる方法を減圧沸騰といいます．沸騰した状態からさらに圧力を下げようとしても発生した蒸気が減圧分を補うため，圧力は飽和してしまいます．減圧沸騰では，圧力の変化が飽和して一定となることから，熱力学ではこの圧力のことを飽和圧力（もしくは飽和蒸気圧）といいます．水温飽和温度 ∥ 沸点圧力 100℃ 0.1013MPa のとき 20℃のとき沸騰 23.392hPa 飽和圧力沸騰加熱時間減圧時間水の減圧沸騰水の加熱沸騰沸騰状態の液体の圧力と温度は飽和温度と飽和圧力（飽和蒸気圧）の状態にあるといえます．飽和温度と飽和圧力（飽和蒸気圧）の関係を示した表は，「飽和表」と呼ばれ，温度を横軸に取ったグラフは，「蒸気圧曲線」といいます．飽和温度と飽和圧力（飽和蒸気圧）の関係は液体の種類によって異なります．水の飽和表（圧力基準）参考：（新版）機械工学便覧 A6 熱工学（日本機械学会編）より抜粋圧力 MPa 0.02 0.07 0.1 0.10133 0.15 0.2 温度 ℃ 60.059 89.96 99.63 100.00 111.37 120.23 比体積, m3/kg ν' ν" 0.00101719 7.64977 0.00103612 2.36473 0.00104342 1.69373 0.00104371 1.67300 0.00105303 1.15904 0.00106084 0.885441 比エンタルピ kJ/kg h' h" r=h"-h' 251.453 2609.9 2358.4 376.768 2660.1 2283.3 417.510 2675.4 2257.9 419.064 2676.0 2256.9 467.125 2693.4 2226.2 504.700 2706.3 2201.6 r   h   h  比エントロピ kJ/(kgK) s' s" r/T=s"-s' 0.83207 7.90943 7.07735 1.19205 7.48040 6.28834 1.30271 7.35982 6.05711 1.30687 7.35538 6.04851 1.43361 7.22337 5.78976 1.53008 7.12683 5.59675 埼玉工業大学機械工学学習支援セミナー（小西克享）加熱沸騰と減圧沸騰－2/2 0.25 圧力 [MPa] 0.2 0.15 0.1 0.05 0 60 70 80 90 100 110 120 130 温度 [℃] 水の蒸気圧曲線液体を蒸発させるには，蒸発潜熱（気化熱ともいう）が必要です．加熱沸騰では，蒸発潜熱を直接与えているのに対して，減圧沸騰では熱は与えていないため，減圧すると沸騰して液体が蒸発する理由は理解しにくいものです．実は，減圧沸騰では，液体は外気から熱を奪い，それでも足りない分は，自分自身の持つ熱を自己放熱することで蒸発潜熱に当てているに過ぎません．したがって，減圧中に液体の温度は少しずつ低下することになります．液体の量が極端に少ない場合は，沸騰中に液温が氷点まで下がって凍ってしまうこともあります．加熱沸騰では，加熱を途中で止めると沸騰は停止してやがて液温は下がり始めます．減圧沸騰の場合も同様に，減圧を途中で止めると沸騰は停止してやがて容器内の気体の圧力は上がり始めます．容器内で減圧沸騰を継続するには，減圧をし続ける必要があり，その間，減圧装置（真空ポンプほか）を駆動させる動力が必要です．一方で，ノズルを用いて高圧高温水を減圧させると，減圧沸騰の原理から瞬間的に大量の熱量を放出して一挙に温度を下げることができます．たとえば，水を 5 気圧 150℃から大気圧へ減圧すると 100℃まで下がります．この仕組みをエンジンのラジエーターに応用すると装置の小型化が可能であり，沸騰冷却形エンジンに応用することができます． http://www.sit.ac.jp/user/konishi/JPN/L_Support/SupportPDF/Boiling.pdf Copyright ⓒ 2013 小西克享, All Rights Reserved. 個人的な学習の目的以外での使用，転載，配布等はできません．お願い：本資料は，埼玉工業大学在学生の学習を支援することを目的として公開しています．本資料の内容に関する本学在学生以外からのご質問・ご要望にはお応えできません．