飽和蒸気圧について詳しく解説

飽和蒸気圧または蒸気圧は、この物質の気相がその液体または固体相と平衡にある圧力です。温度によって異なります。 「蒸気圧」という用語を使用する人もいますが、これは蒸気の分圧を指すためあいまいです。

飽和蒸気圧は、純粋な物質の一部が液体または固体の形になる、純粋な物質の蒸気の分圧です。また、それは「乾燥」蒸気 (つまり、液相なし) の最大圧力であるとも言います。

蒸気の分圧が物質の飽和蒸気圧に等しい場合、気相、液体相、または固相は平衡状態にあります。

蒸気の分圧が飽和蒸気圧を超えると液化や凝縮が起こります。平衡状態から、これは蒸気分圧を増加させる (例えば体積を減少させる) ことによって、または飽和蒸気圧を減少させる、つまり温度を下げることによって行うことができます。

歴史的

19^世紀に、ジョン ダルトンは空気を飽和させるのに必要な水蒸気の量を研究しました。彼は、この体積が温度に大きく依存することに気づきました。

純粋な体液の場合

平衡状態にあるとき、液体の純粋な物体と、同じ純粋な物体からなる気体の「空」（液体の上の大気）があり、大気の一部は気体の純粋な物体で構成されます。この部分の圧力 (または純粋な気体の分圧) への寄与は飽和蒸気圧です。その後、圧力が（膨張により、または飽和蒸気圧の上昇、つまり加熱により）飽和蒸気圧を下回ると、液体は激しくガス状に変化します。これが蒸発、または沸騰です。

この蒸気が他のガスと混合している場合、蒸気の飽和分圧は蒸気単独の平衡圧力と同じであると考えられます。飽和蒸気圧がガスの分圧より高いが、全圧より低い場合があります。液体はゆっくりと気体の形に変化します。これが蒸発です。沸騰（蒸発）は、飽和蒸気圧が全圧より高い場合にのみ発生します。

したがって、特定の圧力において、物質の沸点は、その物質の飽和蒸気圧が全周囲圧力と等しくなる温度です。

平衡状況p _sat ( T ) = p _vapから:

• 周囲温度の変化:
  • この温度を下回ると、蒸気は液化します。
  • この温度を超えると液体は蒸発し、融点を超えると蒸発（沸騰）します。
• 周囲圧力の変化:
  • この圧力を超えると、蒸気は液化して液体になります。
  • この圧力以下では液体は蒸発し、非常に低い圧力では蒸発（沸騰）します。沸点限界圧力は、沸点が現在の温度である圧力です。

要約すれば：

• p _sat ( T ) > p _amb : 沸騰、蒸発
• p _amb > p _sat ( T ) > p _vap : 蒸発
• p _sat ( T ) = p _vap : 平衡
• p _vap > p _sat ( T ): 液状化

ここで、 p _sat ( T ) は飽和蒸気圧、 p _vapは蒸気圧 (蒸気の分圧)、 p _{amb は}周囲圧力です。

たとえば、水たまりは太陽の下で蒸発します (水の飽和蒸気圧は蒸気の分圧よりも高く、大気圧よりは低くなります)。 1気圧下で鍋に水を入れて100℃まで加熱すると、水は沸騰します（飽和蒸気圧が大気圧を超えます）。液化ガスボトル（プロパンまたはブタンタイプ）では、ガスが排出される際にボトル内でガスが冷えて沸騰します（排出中、全圧は飽和蒸気の圧力より低くなります）。

純粋な物質の混合物

ラウールの法則は、液体混合物の飽和蒸気圧をほぼ支配します。

ガスボトルまたはタンクタイプの適切なサイズのエンクロージャでは、ガスの混合物は均一であると考えることができます。熱撹拌エネルギーは重力位置エネルギーの差よりも大きく、層状化は無視できます。したがって、混合物の組成は、印刷実行の開始から終了までほぼ一定です。一方、混合物の組成が変化する選択的な凝縮が発生する可能性があります (一方のガスが凝縮する一方で他方がガス状のままになる、または 2 つのガスが液化すると液体の組成がガスの組成と異なる) ）。したがって、混合ボトルには、ガス組成が実際に公称組成であることを保証するための保存温度設定値が設定されています。

爆発減圧

密封された筐体内に物体が収容されている場合、次の場合に筐体の破裂により沸騰爆発 (またはブルベ) が発生する可能性があります。

• 温度と外圧の条件下では、物体は気体の状態になります。
• エンクロージャ内の圧力が高くなり、本体の一部が液体の状態に保たれます。

しっかりとした純正ボディのケース

ほとんどの固体の飽和蒸気圧は、一般に「適切な」温度では非常に低くなります。たとえば、20℃での鉄の飽和蒸気圧は非常に低いため、たとえ存在する鉄がその蒸気と平衡状態にあるとしても、部屋の中に鉄の単一原子が存在することはありそうもないことです（確率の量子的考察でそこに入ります）存在感）。

さらに、固体の原子は凝集しているため、沸騰現象が起こることは考えられません。ただし、材料に細孔が形成される可能性があり、この細孔内で固体部分がガス状に変化します (上記と同じ予防措置を講じます)。ただし、これは液体の場合のように大気圧（極圧を除く）には関係せず、むしろ結晶内の点欠陥（空孔）の存在や表面張力などの材料特性に関係します。

平衡状態からp _sat ( T ) = p _vap

• 周囲温度の変化:
  • この温度を下回ると、蒸気は凝縮して固体になります。
  • この温度を超えると固体は昇華します。つまり、液相を通さずに固体から直接蒸気に変わります。
• 周囲圧力の変化:
  • この圧力を超えると、蒸気は凝縮して固体になります。
  • この圧力を下回ると固体は昇華します。

したがって、特定の圧力において、物質の昇華点は、その物質の蒸気圧が周囲圧力と等しくなる温度です。

したがって、ケースは 3 つだけです。

• p _sat ( T ) > p _vap : 昇華
• p _sat ( T ) = p _vap : 平衡
• p _vap > p _sat ( T ): 凝縮

飽和蒸気圧とその他の相変化

液相中の物質の飽和蒸気圧は、固相中の同じ物質の蒸気圧とは異なる場合があり、一般的には異なります。液体の蒸気圧が固体の蒸気圧よりも高いような温度の場合、液体は蒸発しますが、蒸気は凝縮して固体になります、つまり、液体は凍結します。液体の蒸気圧が固体の蒸気圧よりも低い温度である場合、固体は蒸発しますが、蒸気は凝縮して液体になります、つまり固体は溶けます。

2 つの蒸気圧が等しい温度では、固相と液相の間に平衡が存在します。この温度は融点と呼ばれます。

飽和蒸気圧の計算

飽和蒸気圧のおおよその計算は、特に、蒸気が理想気体のように挙動すること、および 蒸発エンタルピーが考慮された範囲内の温度によって変化しないことを前提として、クラペイロン方程式の公式を使用して行うことができます。 。

と ：

• T ₀ : 所定の圧力 p ₀における物質の沸騰温度 (K)
• p _sat : 飽和蒸気圧、p ₀と同じ単位
• M: 物質のモル質量(kg/mol)
• L _v : 物質の蒸発潜熱、単位は J/kg
• R: 理想気体定数、8.31447 J/K/mol に等しい
• T: 蒸気温度 (K)

水の場合、たとえば次のようになります。

• M = 0.018 kg/モル
• L _v = 2.26×10 ⁶ J/kg
• p ₀ = 1013 ミリバール
• _T0 = 373K

空気中の水の飽和蒸気圧

空気中の水の場合、この現象は数多く現れます。お湯の入った鍋の上に「蒸気」（実際には小さな水滴）が現れたり、霧、露、霜、霧、霧雨、または雲が発生したりします。 。

湿った空気の飽和蒸気圧は、空気が保持できる水蒸気の最大量を表します。温度とともに増加します。私たちは空気の相対湿度率についてよく話します。これは蒸気分圧と飽和蒸気圧の比です。この割合はパーセンテージで表されます。

$$ {{\rm humidit\acute{e} \ relative} = \frac{p_{vap}}{p_{sat}(T)} \times 100 \%} $$

ランキンの式は、わずかに異なる係数 (熱力学表と比較して 5 ～ 140 °C の範囲で 0.39 ～ 4.1% の差) を使用して前の式を繰り返します。

と ：

• p _sat : 大気中の水の飽和蒸気圧
• T:絶対温度(K)

より高温の場合は、 Duperray の公式を使用できます (90 ～ 300 °C の範囲での差は 0.12 ～ 7.7%)。

と ：

• p _sat : 大気中の水の飽和蒸気圧
• t: 温度 (°C)

デュプレの公式のようなモデルは他にもあります。