蒸気圧曲線で探る沸点の変化Boiling Point and the Vapor Pressure Curve

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 富士山頂(約0.63 atm)で水を加熱すると、水は100°Cより低い温度で沸騰すると思いますか、高い温度で沸騰すると思いますか。If you heat water at the top of Mt. Fuji (about 0.63 atm), do you think it will boil below 100°C or above 100°C?💡 水が沸騰するとき、液体内部でできた泡(水蒸気)は周りから何に押されているでしょうか。When water boils, what is pushing on the vapor bubbles that form inside the liquid?
2. 沸騰している水をさらに強く加熱し続けると、水温はどうなると思いますか。If you keep heating boiling water even harder, what do you think happens to the water temperature?💡 加えた熱が何に使われるかを考えてみましょう。Think about what the added heat is being used for.

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(容器内圧力 1.00 atm)で「加熱パワー」を 100 % にし、上の蒸気圧曲線上の丸い点(水温)が右へ動いて「外圧」の水平線に近づく様子と、容器の水の中に泡が出るかどうかを観察する。In the starting state (Pressure 1.00 atm), set "Heater power" to 100 % and watch the dot (water temperature) on the vapor pressure curve move right toward the horizontal "Outside pressure" line, and whether bubbles appear in the water.
2. 点が外圧の線と交わって沸騰が始まったら(「沸騰中」表示)、しばらく加熱を続けて下の表示の「水温」「蒸気圧」「沸点」を読み取る。When the dot meets the outside-pressure line and boiling starts ("Boiling" tag), keep heating for a while and read "Water temp", "Vapor pressure" and "Boiling point" in the readout below.
3. 沸騰中に「容器内圧力」スライダーを 0.60 atm まで下げ、泡と水温の変化を見る。続けて 1.50 atm(「圧力鍋」ボタンでもよい)まで上げ、泡がどうなるか、加熱を続けるとどうなるかを観察する。While boiling, lower the "Pressure" slider to 0.60 atm and watch the bubbles and water temperature. Then raise it to 1.50 atm (or press "Pressure cooker") and observe what happens to the bubbles and what happens as heating continues.
4. 「NEW:リセット」を押し、「加熱パワー」100 % で水温を約50°Cまで上げてから「真空」ボタン(0.07 atm)を押し、水温と泡の様子を観察する。Press "NEW: Reset", heat with "Heater power" 100 % until the water is about 50°C, then press the "Vacuum" button (0.07 atm) and observe the water temperature and the bubbles.
5. 「ヒマラヤ」「富士山頂」「平地」「圧力鍋」のボタンを順に押して沸点を記録し、グラフの交点の位置と比べる。Press "Himalayas", "Mt. Fuji", "Sea level" and "Pressure cooker" in turn, record each boiling point, and compare it with where the lines cross on the graph.

3確かめようCheck

1. 1.00 atm で加熱しているとき、水温が約70°Cの段階で液体内部から泡は出ていましたか。そのとき蒸気圧はいくらでしたか。While heating at 1.00 atm, were bubbles forming inside the liquid when the water was about 70°C? What was the vapor pressure then?→ 泡は出ていなかった(表面からの蒸発だけ)。約68°Cで蒸気圧は約0.28 atm で、外圧 1.00 atm より小さいので沸騰しない。No bubbles formed (only evaporation from the surface). At about 68°C the vapor pressure was about 0.28 atm, less than the outside pressure of 1.00 atm, so the water did not boil.
2. 沸騰が始まったあと加熱を続けると、水温はどうなりましたか。After boiling started and heating continued, what happened to the water temperature?→ 100.0°C のまま一定だった。蒸気圧 1.00 atm = 外圧 1.00 atm で、加えた熱は液体を気体に変える(気化熱)のに使われる。It stayed constant at 100.0°C. Vapor pressure 1.00 atm = outside pressure 1.00 atm, and the added heat is used to turn liquid into vapor (heat of vaporization).
3. 沸騰中に圧力を 0.60 atm に下げたとき、1.50 atm に上げたときに、それぞれ何が起こりましたか。During boiling, what happened when you lowered the pressure to 0.60 atm, and when you raised it to 1.50 atm?→ 0.60 atm では沸騰が激しくなり(急沸騰)、水温が沸点 約86.3°C まで下がってそこで沸騰を続けた。1.50 atm では沸点が 約111.7°C に上がって蒸気圧 < 外圧となり、泡が消えて沸騰が止まった。加熱を続けると水温が上がり、約111.7°C で再び沸騰した。At 0.60 atm the boiling became violent (flash boiling) and the water cooled to the new boiling point of about 86.3°C, where it kept boiling. At 1.50 atm the boiling point rose to about 111.7°C, so vapor pressure < outside pressure; the bubbles disappeared and boiling stopped. With continued heating the temperature rose and the water boiled again at about 111.7°C.
4. 約50°Cの水で「真空」(0.07 atm)にすると、どうなりましたか。What happened when you pressed "Vacuum" (0.07 atm) with the water at about 50°C?→ すぐに液体内部から泡が出て沸騰し、水温が約39.3°C まで下がって一定になった。沸点も 39.3°C と表示され、グラフでは点が外圧の線と曲線の交点にあった。Bubbles formed inside the liquid immediately and the water boiled; the temperature dropped to about 39.3°C and stayed there. The boiling point was shown as 39.3°C, and on the graph the dot sat where the outside-pressure line crosses the curve.

4考えようThink further

1. 圧力鍋で調理すると早く煮えるのはなぜでしょうか。逆に富士山頂で炊いたご飯が芯の残るものになりやすいのはなぜでしょうか。Why does food cook faster in a pressure cooker? And why does rice cooked on top of Mt. Fuji tend to come out undercooked?→ 圧力鍋では外圧が約1.5 atm になり、蒸気圧がそれに等しくなる約112°Cまで沸騰しないので、100°Cより高い温度で加熱できる。富士山頂(約0.63 atm)では約88°Cで沸騰してしまい、それ以上水温が上がらないため、加熱が不十分になりやすい。In a pressure cooker the external pressure is about 1.5 atm, so water does not boil until its vapor pressure reaches that at about 112°C, letting food be heated above 100°C. On Mt. Fuji (about 0.63 atm) water boils at about 88°C and cannot get any hotter, so food is heated less.
2. 沸騰中に急に減圧すると、なぜ水温が下がるのでしょうか。Why does the water temperature fall when the pressure is suddenly lowered during boiling?→ 減圧すると水温が新しい沸点より高くなり、蒸気圧 > 外圧となって液体のいたる所で一気に気化が起こる。気化には気化熱が必要で、それを水自身から奪うので、水温は新しい沸点まで下がる。After the pressure drops, the water is hotter than the new boiling point, so vapor pressure > external pressure and liquid vaporizes rapidly all through the water. Vaporization needs heat of vaporization, which is taken from the water itself, so the water cools to the new boiling point.

よくある誤解Common misconceptions

• 「水は必ず100°Cで沸騰する」という誤解。100°Cは外圧が 1 atm のときの沸点で、外圧が 0.07 atm なら約39°C、1.5 atm なら約112°Cで沸騰する。"Water always boils at 100°C." 100°C is the boiling point only at 1 atm; at 0.07 atm water boils at about 39°C, and at 1.5 atm at about 112°C.
• 「沸騰中に強く加熱すれば水温はさらに上がる」という誤解。沸騰中は加えた熱が気化に使われるので、外圧が変わらない限り水温は沸点で一定になる。"Heating boiling water harder makes it hotter." During boiling the added heat goes into vaporization, so the temperature stays at the boiling point as long as the external pressure is unchanged.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)