教科書(物理基礎) 問a:温度と熱

解法

直感的理解
物質には固体・液体・気体の3つの状態があり、温度と圧力の条件で互いに変化します。氷(固体)→水(液体)→水蒸気(気体)はおなじみの変化です。温度だけでなく圧力も状態を決める重要な要因で、高山では気圧が低く沸点が下がります。

物質の状態は温度圧力で決まります。

水の場合(1気圧):

$$ \text{融点} = 0\,\text{℃(固体⇄液体)} $$ $$ \text{沸点} = 100\,\text{℃(液体⇄気体)} $$

圧力が変わると沸点も変わります。富士山頂(約 0.63 気圧)では:

$$ \text{沸点} \fallingdotseq 87\,\text{℃} $$

数値計算:100 × 87 = 8700 融点

答え:

物質の三態は固体・液体・気体で、温度と圧力により状態が決まる。1気圧での水の融点は 0℃、沸点は 100℃。圧力鍋は圧力を上げて沸点を高くし、高温で調理時間を短縮している。

補足:三重点と臨界点

水の状態図には特別な点が2つあります:

  • 三重点(0.01℃、611 Pa):固体・液体・気体が共存する唯一の温度・圧力
  • 臨界点(374℃、22.1 MPa):この点を超えると液体と気体の区別がなくなり「超臨界流体」になる

超臨界水は工業的にも注目されており、溶解力が高いため有害物質の分解などに利用されています。

数値計算:100 × 87 = 8700 融点

Point

沸騰は液体の内部からも蒸発が起こる現象で、液体の蒸気圧が外部の気圧と等しくなったときに起こります。気圧が低い高山では蒸気圧が気圧に達しやすいため、沸点が下がります。