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zoom RSS 沸騰した水(湯?)、氷、水蒸気が同時に存在する環境とはどんなもの?

<<   作成日時 : 2017/03/14 07:56   >>

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★科学★
問題:ふつう、1気圧の元では、水は0度Cで氷と水が共存します。融点、あるいは氷点と呼ばれますね。0度Cを越えると氷は存在しなくなります。温度をあげて100度Cになると、沸騰した水(お湯)と水蒸気が共存します。100度Cを越えれば水は存在しなくなり、水蒸気だけになります。100度Cは沸点と呼ばれますね。
■ところが、ある特殊な環境にすると沸騰した水、固体の氷、気体の水蒸気が同時に存在することがあるそうです。見た目には水というよりは沸騰したお湯に見えるはずです。湯(?)と氷と水蒸気の共存。では、その「特殊な環境」とは次のどんなものでしょうか?
[い]高い気圧とマイナス200度Cを下回る低い温度
[ろ]低い気圧と200度Cを上回る高い温度
[は]高い気圧と0度Cほどの温度
[に]低い気圧と0度Cほどの温度
[ほ]1気圧と0度Cの温度と高周波の振動
(答えはずっと下↓ スクロールして下さい)

























★科学★
正解:[に]低い気圧と0度Cほどの温度
説明:湯と氷と水蒸気の共存は、専門家たちは三重点呼んでいるらしい。Wikipediaの説明によれば、「固相、液相、気相の三相が共存する熱力学的平衡状態であり、その物質に固有の温度および圧力」だそうです。
■水の場合、三重点は0.01度C、0.006気圧という環境に決まっているとのこと。この環境が作れれば、氷と沸騰する水と水蒸気が同居させられるようです。水はとても律儀に温度を守るので、この温度を絶対温度目盛の基準点に定めているそうです。273.16K(ケルビン)とのこと。昔の白金製のメートル原器みたいな役割を背負わされているらしい。
▼メートル原器
◇*HP「白金 原器 - Google 検索」(画像)
https://www.google.co.jp/search?q=%E7%99%BD%E9%87%91%E3%80%80%E5%8E%9F%E5%99%A8&hl=ja&rlz=1T4GGHP_jaJP523JP523&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwiuuZHvv-bQAhVJy7wKHfOlBX8Q_AUICSgC&biw=1280&bih=626
■それにしても氷と沸騰する水が同居しているというのはなんとも珍妙な話です。不思議な感覚になります。竹中直人の「笑いながら怒る人」を観た時みたいです。
■竹中直人は1気圧の中での演技です。水の三重点はかなり低い気圧にしなければなりません。かつ、低い温度も必要です。上手に見せるのが難しいようです。YouTubeには、水ではない液体(シクロヘキサン)で氷と沸騰する液体が共存する様子を見せる動画がありました。これで水の場合も想像できるかもしれません。
▼沸騰する液体と固体(氷)の共存…シクロヘキサン版

■なお、0度Cの元では水と氷は共存します。さらにわずかながら(1立方mあたり5gほど)水蒸気も存在可能です*2。つまり、「固体・液体・気体の水の共存」というだけなら、1気圧0度Cでも可能ではあります。「沸騰した水と氷と水蒸気の共存」となると特殊な環境が必要というわけらしい。
◆参考*1:HP「三重点 - Wikipedia」
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%89%E9%87%8D%E7%82%B9
◇*2HP「空気中の水蒸気」
http://www.s-yamaga.jp/nanimono/taikitoumi/kukichunosuijoki.htm

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