オープニングとリメイクエピソードの紹介
こんにちは、かねまるです。 プラントライフは、化学プラントの技術者が、化学を軸に、皆さんの視野を広げていく番組です。
今回は、初のリメイク回です。 第2回、水を冷やすと沸騰する、知れば納得の物理現象というエピソードを、もう1回収録しています。
この番組もありがたいことに配信を100回超えられて、収録環境とか喋り方とか色々変わっておりますので、もう一度収録してみました。
もともとこのエピソードを撮るきっかけになったのが、とある動画です。
水をかけると容器の中からポコポコと泡が出てきて、沸騰し始めるっていう動画がありました。
不思議ですね。冷えるはずなのに沸騰が始まっています。
落ち着いて考えると納得の物理現象を、今回は一緒に考えていきましょう。
不思議な現象：水を冷やすと沸騰する
水って冷やすと沸騰することがあるんです。
今回はその一見物理現象に反しているような話なんですけど、そんな物理現象を紹介した動画があります。
ドクターボボボさんという方の水は冷やすと沸騰するという動画を見つけまして、まずは簡単にその動画の内容を紹介します。
蓋を開けた丸底フラスコの中に水を入れて、それを沸騰させます。
沸騰させているときに上からゴム栓で蓋をします。
この蓋をしたフラスコに水をかけると、なぜか中からポコポコと大きい泡が出てきます。
沸騰しているんです。
概要欄に該当の動画のリンクを載せていますので、よろしければそちらも見てみてください。
沸騰の原理：温度ではなく圧力
それではなぜ沸騰したのかっていうのを考えていきましょう。
そもそも沸騰っていうのはどうやって起こるんでしょうか。
なんとなくイメージだと、水がものすごく熱くなったら沸騰するっていうイメージないでしょうか。
沸騰っていうのは実は温度じゃなくて圧力で決まるんです。
水の沸点は100度ってよく言いますけど、正確には1気圧の時という条件があります。
1気圧覚えていますか。
私たちにかかっている大気の圧力です。
学校では1013ヘクトパスカルとか101300パスカル。
工業の分野だと101.3キロパスカルっていう単位で話したりもしますね。
普段生活していて常に私たちの体にかかっている大気の圧力を1気圧。
その1気圧がかかっている時に水の沸点は100度になります。
ということで条件が変われば沸点は変わります。
じゃあ何が沸点を決めているかっていうと圧力。
もっと正確に言うと蒸気圧という物質固有の数値があります。
蒸気圧とは何か
蓋をして密閉したコップの水を想像してみましょう。
水面っていうのは液体の水の分子が絶えず飛び出しています。
反対に飛び出した分子も水面のところに戻ってきたりもしています。
この水が飛び出す数と戻ってくる数が釣り合った時の蒸気の圧力。
これが蒸気圧です。
水が飛び出したり戻ったり絶えず動いてはいるんですけど
見た感じは数が変わらないのでそのまんまに見えるっていう状態です。
そしてこの蒸気圧っていうのは固定の値ではなくて温度で変化します。
逆に言うと水の量が多くても少なくても容器が大きくても小さくても同じ温度であれば蒸気圧は変わりません。
今度は沸騰の条件を考えますと
液体の蒸気圧と周りの圧力が等しくなった時に沸騰します。
沸騰の条件と大気圧の関係
こうして沸騰した時は水面からだけじゃなくて水の内部からも蒸発が起きて泡がボコボコと出てきます。
一旦水が100度で沸騰するっていう状況を整理します。
まず私たちの身の回りには普段から大気圧、1気圧っていうのがかかっています。
1013ヘクトパスカルという圧力がかかっています。
この1013ヘクトパスカルと水の蒸気圧が等しくなった時に沸騰します。
水の温度を上げていくと100度の時、大気圧と等しくなって沸騰します。
これを言い換えると水の沸点っていうのは周囲の圧力で変わります。
圧力と沸点の関係：身近な例
これを説明できるのが富士山と圧力鍋。
富士山の山頂は空気が薄くて気圧っていうのは普段生活している平地よりもだいぶ低くなります。
ということは水の沸点は下がります。
だいたい88度くらいになります。
よく山の上ではお米がうまく炊けないって話を言いますね。
あれはお米を美味しく炊くには100度近い温度をしばらく保つ必要があるからでして、
水の沸点が88度、つまりは88度でお米を炊いてしまったら、
そもそもお米を美味しく炊くのに必要な温度になってないんですよね。
カップラーメンがぬるくて微妙になるのも同じ理屈です。
逆に沸点を上げているのが圧力鍋です。
蓋を密閉して中に蒸気を閉じ込めて圧力を上げています。
鍋の中の圧力が高くなって、そうすると100度を超えても水は沸騰しません。
もちろん機種によって幅がありますけど、だいたい110度から130度くらいまで上がります。
普段だったら100度のお湯で煮込むところを110度から130度くらいの高い温度で煮込めるので、
肉もしっかり柔らかくなります。
密閉した圧力鍋の中に水を入れて沸騰させて蒸気の圧力を高めていく。
見た目は最初に話したフラスコと似ていないでしょうか。
フラスコ現象の圧力による解説
あれもフラスコの中に水を入れて沸騰させて蓋を閉めています。
冒頭のフラスコの話をもう一回確認します。
丸底フラスコの中に水を入れて加熱します。
水が沸騰してきたところでゴム栓で蓋をします。
その後に外から水をかけるとボコボコと泡が出てきて沸騰しています。
この現象を圧力の視点で見ていきましょう。
まずフラスコの蓋を開けた状態で水を加熱しても、
普段鍋で加熱しているのと同じ状況です。
100度で沸騰が続いています。
水が沸騰した状態で蓋を閉めると、中は水と水蒸気でいっぱいです。
当たり前じゃんって思うかもしれないんですけど、空気をまず逃しています。
もともとフラスコの中に入っていた空気を追い出して水蒸気に変わっています。
そこに上から冷たい水をかけると、まず中の水蒸気が冷えて水滴に戻ります。
気体が液体に戻るっていう現象なので体積は一気に小さくなります。
密閉した容器の中で水蒸気がなくなっていくと、水蒸気がかけていた圧力が小さくなってきます。
富士山の時と一緒です。
富士山に登っていくとだんだんと空気が薄くなって体気の圧力が減ってきます。
こうして水の沸点が下がります。
フラスコの中は空気ではなくて水蒸気になっています。
フラスコに外から水をかけて冷えたら水蒸気が水滴に変わって中の圧力が減っていきます。
富士山と同様に水の沸点が下がります。
水をかけて水蒸気を冷やしたところで下の水っていうのはまだ熱いままです。
多少温度は下がりながらも水蒸気が水滴に変わっているので圧力が一気に下がっています。
その結果水で冷やして沸騰するっていう不思議な現象が現れます。
減圧沸騰の注意点と安全性
動画の中では減圧沸騰という言葉が使われています。
減圧っていうのは圧力を減らすという意味です。
圧力を減らして沸騰させているということだったんですね。
ここでこの動画の注意点を一つお話ししておくと圧力を下げるっていうことは外側の待機圧の方が大きいっていうことなんです。
容器の強度が低いとベコッとへこみます。
ガラス容器の場合は割れます。
形も重要でして動画では丸底フラスコを使っているので丸いから圧力が均等にかかって割れにくい構造になっています。
そこが平たいフラスコなんかを使うと割れる可能性もあります。
温度も上げますし圧力も操作するので思ったよりも危険な操作です。
できる限り家庭で再現するっていうのは控えていただいて動画で楽しむくらいにしていただけると幸いです。
工場での圧力操作：減圧蒸留とフリーズドライ
最後に工場で圧力を操作して沸騰を操っている場面をいくつか紹介します。
化学プラントでは蒸留操作をたくさん行います。
液体を加熱して沸騰の違いで分離する操作です。
中等から輸入した原油も蒸留で分離します。
原油の中でも重たい成分、つまり沸点の高い成分っていうのは大気圧だと温度を上げないと蒸留できません。
でも温度を上げると逆に熱分解しちゃうので沸騰させるまで加熱できないんですよね。
だから圧力を下げて分解しない温度で蒸留をします。
これを減圧蒸留と言います。
その他に減圧っていうのは熱に弱いものをよく扱う食品とか医薬品なんかではよく使われますね。
熱い温度でぐつぐつ煮詰めてしまうと風味とか成分が壊れてしまいます。
なので減圧して低い温度で水分だけを飛ばします。
この操作っていうのを極限まで極めていくとフリーズドライという操作になります。
食品を凍らせて真空にすると氷がそのまま水蒸気となって抜けていきます。
基本的に水は氷から液体の水になって気体の水蒸気になっていきますけど
ものすごく温度を下げて凍らせた状態にすると個体から気体に変わる消化という現象が起きます。
フリーズドライはこの消化をうまく使っておりまして
インスタントコーヒーとかスープとかもこのフリーズドライの作り方になっています。
コーヒーとかスープが水に溶けた状態を凍らせてそこから水の部分だけを取り除く。
そうするともともと凍らせていた時の形を維持したまま水分だけが取り除けます。
氷が抜けた隙間がスポンジみたいな形で残るのでお湯を注ぐとすぐ戻るような構造になっています。
工場での圧力操作：蒸気加熱
今度は圧力を高める方で考えてみますと蒸気加熱の分野があります。
化学プラントでは加熱は蒸気を主に使います。
100度でずっと加熱し続けるのかっていうとそうではありません。
圧力鍋のように蒸気の圧力をものすごく高めていきます。
120度とか150度、場合によっては200度ぐらいの蒸気を圧力を高めて作ります。
なんだか蒸気を使うっていうと蒸気機関のイメージで昔の古いイメージがあるかもしれないんですけど
今でも蒸気っていうのは原液で使われておりまして、加熱の大事な要素になっています。
まとめ：圧力理解の重要性
今回は水をかけると沸騰するっていうちょっと不思議な現象について話をしてきました。
水が沸騰するっていう理由を考えると周りの圧力さえ操作すれば
100度を超えた温度で沸騰させることもできますし
ものすごく真空にしていけば氷の状態でも水蒸気は作れます。
フリーズドライの話ですね。
圧力は目に見えないのでものすごくイメージしにくい要素になっています。
ですけど圧力を知るといろんな物理現象が理解できますので
少しずつ圧力の視点も持っていただけると見える世界が変わるんじゃないかなと思います。
お盆休みと懐かしいもの
そして本編はここまでで皆様お久しぶりです。
お盆からしばらく配信を止めておりまして今回がお盆明け1回目の配信になっております。
単純に盆休みを取らせてもらいました。ゆっくりしてました。
実家に帰ると平成の懐かしいものがいっぱい出てきまして
例えば夢水清代の事件ノートという本とか初期のポケモンカードに遊戯王カード
リスモのグッズなんかも出てきました。
実家はものをいろいろ置いてあるのでさすがに懐かしいものがいっぱい出てきますね。
皆さんの実家にあった懐かしいものもぜひ教えてください。
エンディング
今回はここまでです。
プラントライフでは価格や工場に関するトピックを扱っています。
配信は毎週水曜日と日曜日の朝6時を予定しています。
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そしてノートにメンバーシップかねまるのここだけの話というものを公開しています。
主に発信の試行錯誤みたいなオープンな場では少し話しにくいけど残しておきたい本音をお届けしています。
もしよろしければ覗いてみてください。
それではお聞きいただきありがとうございました。
