蒸発と凝縮のせめぎ合い：飽和蒸気圧のミクロ可視化Evaporation vs. Condensation: Saturated Vapor Pressure Up Close

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

1. 温度を一定にしたまま、液体の残っている容器のピストンを押して気相の体積を小さくすると、しばらくたったあとの蒸気圧は元より大きくなると思いますか、元と同じになると思いますか。Keeping the temperature fixed, if you push the piston to make the gas volume smaller while liquid is still present, do you think the vapor pressure after a while will be higher than before, or the same as before?💡 気体の分子が増えて混み合うと、液面に戻る分子の数はどうなるでしょうか。If the gas molecules become more crowded, what happens to the number of molecules returning to the liquid surface?
2. 蒸気圧が一定で変わらなくなったとき、液面では分子の出入りが止まっていると思いますか。When the vapor pressure stops changing, do you think molecules have stopped leaving and entering the liquid surface?💡 画面の「蒸発速度」と「凝縮速度」の2本のバーに注目する準備をしておきましょう。Get ready to watch the two bars, "Evaporation rate" and "Condensation rate".

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(温度 T 353 K、気相体積 V 約1.43)で、「蒸発速度（液面から飛び出す）」と「凝縮速度（液面に戻る）」のバー、「現在の蒸気圧 p」と「飽和蒸気圧（水の基準値）」の値を読み取る。In the starting state (Temperature T 353 K, gas volume V about 1.43), read the "Evaporation rate (leaving the surface)" and "Condensation rate (returning to the surface)" bars and the values of "Current vapor pressure p" and "Saturated vapor pressure (water)".
2. 「ピストン位置（気相体積）」スライダーを左いっぱいに動かして圧縮し、直後の蒸気圧 p と2本のバー、蒸気圧の時間変化グラフを数秒間観察する。Move the "Piston position (gas volume)" slider all the way to the left to compress the vapor, and for a few seconds watch the vapor pressure p, the two bars, and the vapor-pressure-over-time graph right after.
3. 次にスライダーを右いっぱいに動かして膨張させ、15秒ほど待って蒸気圧 p と「液体の分子数」の変化を記録する。そのあと「液体を増やす（＋20粒子）」を2回押し、平衡の蒸気圧が変わるかを確かめる。Then move the slider all the way to the right to expand, wait about 15 seconds, and record how the vapor pressure p and "Molecules in the liquid" change. Then press "More liquid (+20 particles)" twice and check whether the equilibrium vapor pressure changes.
4. 「温度 T」を 323 K に下げ、蒸気圧がどの値に向かうかを観察する。Lower "Temperature T" to 323 K and observe what value the vapor pressure moves toward.
5. 「リセット」を押し、温度 T を 373 K にしてピストンを右いっぱいに引き、液体がすべて蒸発するまで待つ。その後スライダーを少し左(V 約3.0)に戻し、蒸気圧と p × V を比べる。Press "Reset", set Temperature T to 373 K, pull the piston all the way to the right, and wait until all the liquid evaporates. Then move the slider back a little to the left (V about 3.0) and compare the vapor pressure and p × V.

3確かめようCheck

1. 最初の状態で2本のバーと蒸気圧はどうなっていましたか。In the starting state, what did the two bars and the vapor pressure show?→ 蒸発速度と凝縮速度はともに約20.1 粒子/秒で等しく、蒸気圧 p は飽和蒸気圧と同じ約47.3 kPa(p ÷ 飽和蒸気圧 = 1.000)だった。分子は出入りし続けているが、出る数と戻る数が同じ(動的平衡)。The evaporation and condensation rates were equal at about 20.1 particles/s, and the vapor pressure p was about 47.3 kPa, the same as the saturated vapor pressure (p ÷ saturated vapor pressure = 1.000). Molecules keep moving in and out, but the numbers leaving and returning are the same (dynamic equilibrium).
2. 圧縮した直後と数秒後で、蒸気圧はどう変わりましたか。How did the vapor pressure change right after compressing and a few seconds later?→ 直後は約98 kPa(飽和蒸気圧の約2倍)に上がり、凝縮速度(約32 粒子/秒)が蒸発速度(約20 粒子/秒)を上回った。気体分子が液体に戻って液体の分子数が増え、数秒で蒸気圧は約47.3 kPa に戻った。Right after, it jumped to about 98 kPa (about twice the saturated vapor pressure), and the condensation rate (about 32 particles/s) exceeded the evaporation rate (about 20 particles/s). Gas molecules returned to the liquid, the liquid count grew, and within a few seconds the vapor pressure returned to about 47.3 kPa.
3. 膨張させたときや液体を増やしたとき、平衡の蒸気圧はどうなりましたか。What happened to the equilibrium vapor pressure when you expanded the vapor or added liquid?→ 膨張直後は約13 kPa まで下がったが、蒸発＞凝縮となって液体が減り、やがて約47 kPa に戻った。液体を増やしても 47.3 kPa のままだった。体積や液体の量を変えても、353 K の平衡蒸気圧は変わらない。Right after expanding it fell to about 13 kPa, but evaporation exceeded condensation, liquid decreased, and it climbed back to about 47 kPa. Adding liquid left it at 47.3 kPa. Changing the volume or the amount of liquid does not change the equilibrium vapor pressure at 353 K.
4. 液体がすべて蒸発したあと体積を V 約3.6 から約3.0 に小さくすると、蒸気圧はどうなりましたか。After all the liquid had evaporated, what happened to the vapor pressure when you reduced V from about 3.6 to about 3.0?→ 約75 kPa から約91 kPa に上がり、p × V はほぼ一定だった(体積に反比例)。2本のバーは 0 で、飽和蒸気圧 101.3 kPa に固定されない。さらに強く圧縮して 101.3 kPa を超えると凝縮が始まり、液体が再びできた。It rose from about 75 kPa to about 91 kPa while p × V stayed almost constant (inversely proportional to volume). Both bars were 0, and the pressure was not fixed at the saturated vapor pressure of 101.3 kPa. Compressing further beyond 101.3 kPa started condensation, and liquid formed again.

4考えようThink further

1. 飽和蒸気圧が体積によらず温度だけで決まるのはなぜでしょうか。蒸発速度と凝縮速度が何で決まるかから説明しなさい。Why does the saturated vapor pressure depend only on temperature and not on volume? Explain using what determines the evaporation rate and the condensation rate.→ 蒸発速度は液面の分子のうち飛び出せるエネルギーをもつ分子の割合で決まり、温度だけで決まる。凝縮速度は気相の分子密度(分子数÷体積)に比例する。両者が等しくなる分子密度は温度ごとに1つに決まり、圧力は分子密度と温度で決まるので、平衡の蒸気圧も温度だけで決まる。The evaporation rate depends on the fraction of surface molecules with enough energy to escape, which depends only on temperature. The condensation rate is proportional to the number density of the gas (molecules ÷ volume). There is only one number density at which the two are equal for each temperature, and pressure is set by number density and temperature, so the equilibrium vapor pressure depends only on temperature.
2. 温度を 353 K から 323 K に下げると蒸気圧が下がっていくのはなぜでしょうか。Why does the vapor pressure fall when the temperature is lowered from 353 K to 323 K?→ 温度が下がると蒸発速度が約20 粒子/秒から約5.5 粒子/秒に大きく減る一方、凝縮速度はすぐには下がらないので凝縮＞蒸発となる。気体分子が液体に戻り、蒸気圧は 323 K の飽和蒸気圧 約12.3 kPa に向かって下がる。Lowering the temperature cuts the evaporation rate sharply, from about 20 to about 5.5 particles/s, while the condensation rate does not drop as much right away, so condensation > evaporation. Gas molecules return to the liquid and the vapor pressure falls toward about 12.3 kPa, the saturated vapor pressure at 323 K.

よくある誤解Common misconceptions

• 「蒸気圧が一定になったら蒸発も凝縮も止まっている」という誤解。平衡状態でも分子は出入りし続けており、蒸発速度と凝縮速度が等しいだけである(動的平衡)。"When the vapor pressure is constant, evaporation and condensation have stopped." Even at equilibrium molecules keep leaving and returning; the evaporation and condensation rates are simply equal (dynamic equilibrium).
• 「気体を圧縮すれば蒸気の圧力は必ず上がったままになる」という誤解。液体が共存していれば、余分な蒸気は凝縮して蒸気圧は飽和蒸気圧に戻る。体積に反比例するのは液体がなくなった不飽和蒸気のときだけである。"Compressing a vapor always keeps its pressure higher." If liquid is present, extra vapor condenses and the pressure returns to the saturated vapor pressure. The pressure changes inversely with volume only for unsaturated vapor with no liquid left.

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