沸騰

沸騰または沸点は、液体から気体または蒸気への急速な相転移です。沸騰の逆は凝縮です。沸騰は、液体が沸点まで加熱され、液体の蒸気圧が周囲の大気によって液体に及ぼされる圧力と等しくなるときに起こります。沸騰と蒸発は、液体の気化の 2 つの主な形態です。

沸騰には主に 2 つの種類があります。核沸騰では小さな蒸気の泡が不連続な点で形成され、臨界熱流束沸騰では沸騰面が特定の臨界温度以上に加熱され、表面に蒸気の膜が形成されます。遷移沸騰は、両方の種類の要素を含む中間の不安定な沸騰形態です。水の沸点は 100 °C または 212 °F ですが、高高度では大気圧が低下するため、沸点は低くなります。

水を沸騰させることは、存在する可能性のある微生物やウイルスを殺して飲用水にする方法として使用されます。微生物によって熱に対する感受性は異なりますが、水を100℃（212℉）で1分間保つと、ほとんどの微生物やウイルスは不活性化されます。また、70℃（158℉）の温度で10分間保つと、ほとんどの細菌を不活性化するのに十分です。^[1]

沸騰したお湯は、煮る、蒸す、茹でるなど、さまざまな調理方法でも使用されます。

沸騰時に見られる最低の熱流束は、[自然対流] を引き起こすのに十分であり、温かい流体は密度がわずかに低いため上昇します。この状態は、過熱が非常に低い場合にのみ発生します。つまり、流体の近くの熱い表面が沸点とほぼ同じ温度になります。

核沸騰は、加熱された表面上での気泡またははじけの成長（不均一核形成）を特徴とし、表面上の不連続な点から発生し、その温度は液体の温度よりわずかに高いだけです。一般に、表面温度が上昇すると、 核形成部位の数が増えます。

沸騰容器の表面が不規則（表面粗さの増加）であったり、流体に添加物（界面活性剤やナノ粒子など）が含まれていると、より広い温度範囲で核沸騰が促進されますが、^{[2] [3] [4]}、プラスチックなどの非常に滑らかな表面は過熱しやすくなります。これらの条件下では、加熱された液体は沸騰が遅れ、沸騰せずに沸点をいくらか超える温度になることがあります。

均一核形成は、液体の中心が暖かく、容器の表面が冷たい場合に、表面ではなく周囲の液体から泡が形成される現象です。これは、たとえば、容器ではなく水を加熱する電子レンジで発生します。

臨界熱流束（CHF）は、加熱中に相変化が起こる現象（水を加熱するために使用される金属表面上に形成される泡など）の熱限界を表し、これにより熱伝達の効率が急激に低下し、加熱面の局所的な過熱を引き起こします。沸騰面が臨界温度以上に加熱されると、表面に蒸気の膜が形成されます。この蒸気膜は表面から熱を運び去る能力がはるかに低いため、温度はこの点を超えて非常に急速に上昇し、遷移沸騰状態になります。これが発生する点は、沸騰流体と問題の加熱面の特性によって異なります。^[3]

遷移沸騰は、核沸騰で達成可能な最高表面温度と膜沸騰で達成可能な最低表面温度の間の不安定沸騰として定義できます。

加熱された液体内での泡の形成は、複雑な物理的プロセスであり、多くの場合、キャビテーションや音響効果（泡が表面に沸騰するほど加熱されていないやかんで聞こえる広範囲のシューという音など）が関係します。

液体を加熱する表面が液体よりもかなり高温の場合、熱伝導率の低い薄い蒸気層が表面を絶縁する膜沸騰が発生します。この蒸気膜が表面を液体から絶縁する状態が膜沸騰の特徴です。

「プール沸騰」とは、強制対流がない沸騰を指します。代わりに、密度勾配によって流れが発生します。上記のいずれの状態でも発生する可能性があります。

「流動沸騰」は、沸騰する流体が通常はパイプを通って循環するときに発生します。^[5]その動きは、発電所などのポンプ、またはサーモサイフォンやヒートパイプなどの密度勾配によって駆動されます。流動沸騰における流れは、多くの場合、システム内の蒸気の体積分率を示す空隙率パラメータによって特徴付けられます。この分率と密度を使用して、気相の質量分率を指す蒸気品質を計算できます。流動沸騰は非常に複雑で、密度、流量、熱流束、表面張力の影響を大きく受けます。同じシステムで、液体、ガス、2相流の領域が存在する場合があります。このような2相流は、あらゆるシステムの中で最高の熱伝達係数をもたらす可能性があります。

閉じ込め沸騰とは、閉じ込められた形状での沸騰を指し、通常、ギャップ間隔と毛細管の長さを比較するボンド数によって特徴付けられます。閉じ込め沸騰状態は、Bo < 0.5 のときに主要な役割を果たし始めます。この沸騰状態は、蒸気が離れた後に残る「蒸気幹泡」によって支配されます。 ^[6]これらの泡は、蒸気の成長の種として機能します。閉じ込め沸騰は、通常、プール沸騰よりも熱伝達係数は高くなりますが、CHF は低くなります。CHF は、2 相界面の蒸気運動量の力が表面張力と静水力の組み合わせとバランスをとったときに発生し、ドライスポットの不可逆的な成長につながります。^[7]閉じ込め沸騰は、特に電子機器の冷却に有望です。

特定の圧力における元素の沸点は、その元素の特性です。これは、水や単純なアルコールを含む多くの単純な化合物にも当てはまります。沸騰が始まったら、沸騰が安定し、圧力が一定であれば、沸騰液体の温度は一定のままです。この特性により、沸点の定義が 100 °C として採用されました。

揮発性液体の混合物には、その混合物に特有の沸点があり、一定の成分が混ざった蒸気（定沸点混合物）を生成します。この特性により、沸騰によって液体の混合物を分離または部分的に分離することができ、エタノールを水から分離する手段として最もよく知られています。

ほとんどのタイプの冷蔵装置と一部のタイプの空調装置は、ガスを圧縮して液体にし、その後沸騰させることで機能します。これにより周囲の熱が吸収され、冷蔵庫や冷凍庫が冷却されるか、建物に入る空気が冷却されます。一般的な液体には、プロパン、アンモニア、二酸化炭素、窒素などがあります。

水を消毒する方法として、水を沸点の100℃（212℉）まで加熱する方法は、味に影響を与えず、汚染物質や粒子が存在するにもかかわらず効果があり、腸関連の病気を引き起こすほとんどの微生物を一回の処理で除去できるため、最も古く効果的な方法です。^[8]水の沸点は、海面および通常の気圧で100℃（212℉）です。^[9]適切な浄水システムがある場所では、化学的毒素や不純物を除去できないため、緊急治療方法または荒野や田舎で飲料水を得るためにのみ推奨されます。 ^{[10] [11]}

煮沸による微生物の除去は一次速度論に従います。つまり、高温では短時間で除去され、低温ではより長い時間がかかります。微生物の熱感受性は様々で、70 °C (158 °F) では、ジアルジア属 (ジアルジア症の原因) は完全に不活化するのに 10 分かかりますが、腸に影響を与える微生物のほとんどと大腸菌(胃腸炎) は 1 分未満で不活化されます。沸点では、コレラ菌 (コレラ) は 10 秒、A 型肝炎ウイルス(黄疸の症状を引き起こす) は 1 分かかります。煮沸によってすべての微生物が除去されるわけではありません。クロストリジウム菌の胞子は100 °C (212 °F) でも生存できますが、水を介して伝染したり腸に影響を与えたりすることはありません。したがって、人間の健康のためには、水を完全に殺菌する必要はありません。^[8]

水を10分間沸騰させるという伝統的なアドバイスは、主に安全性を高めるためのものである。微生物は60℃（140℉）以上の温度で除去され始め、沸点に達すると温度計を使わずに確認できる有用な指標となり、この時点で水は消毒される。高度が上がるにつれて沸点は下がるが、消毒プロセスに影響を与えるほどではない。^{[8] [12]}

煮るというのは、沸騰したお湯や、スープや牛乳などの水をベースにした液体で食材を調理する方法です。^[13]煮込むというのは弱火で煮るのに対し、ポーチングでは調理液は動きますが、ほとんど泡立ちません。^[14]

水の沸点は、特に海面では通常 100 °C (212 °F; 373 K) とされています。圧力や液体の組成の変化により、液体の沸点が変わる場合があります。沸点は大気圧の関数であるため、標高の高い場所での調理は一般に時間がかかります。標高約 1 マイル (1,600 m) では、水は約 95 °C (203 °F; 368 K) で沸騰します。^[15]食品の種類と標高によっては、沸騰したお湯の温度が食品を適切に調理するのに十分な熱さではない場合があります。^{[16]同様に、}圧力鍋などで圧力を上げると、内容物の温度が外気の沸点を超えて上昇します。^[要出典]

「ボイルインバッグ」としても知られるこの調理法は、厚手のビニール袋に密封された既製の食品を加熱または調理するものである。食品が入った袋は、冷凍されていることが多く、沸騰したお湯に規定の時間浸される。^[17]調理中に鍋やフライパンが汚れることがないため、調理がより便利になる。このような食事は、キャンプだけでなく家庭での食事にも利用できる。

任意の温度において、液体中の分子はさまざまな運動エネルギーを持っています。液体表面上の高エネルギー粒子の中には、液体の分子間引力から逃れてガスになるのに十分なエネルギーを持つものもあります。これを蒸発と呼びます。

蒸発は表面でのみ起こりますが、沸騰は液体全体で起こります。液体が沸点に達すると、内部に気泡が形成され、表面に上昇して空気中に飛び出します。このプロセスは沸騰と呼ばれます。沸騰している液体をさらに強く加熱すると、温度は上昇しませんが、液体はより速く沸騰します。

この区別は液体から気体への遷移にのみ適用されます。固体から気体への直接遷移は、沸点にあるかどうかに関係なく、 常に昇華と呼ばれます。

• 相転移
• 相図
• 蒸発エンタルピー
• 爆発的な沸騰
• 回復時間（料理）

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