沸騰

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な量に過ぎません。自然対流とは、密度がわずかに低い温かい流体が上昇する現象です。この状態は、過熱度が非常に低い場合、つまり流体近傍の高温表面の温度が沸点とほぼ同じ場合にのみ発生します。

核沸騰は、加熱された表面上で気泡が成長したり、破裂したりする現象（不均一核生成）を特徴とする。気泡は、液体の温度よりわずかに高い温度の表面上の離散的な点から発生する。一般に、核生成サイトの数は表面温度の上昇とともに増加する。

沸騰容器の表面が不規則であること（すなわち、表面粗さが増加すること）や、流体に添加物（すなわち、界面活性剤やナノ粒子）を加えると、より広い温度範囲で核沸騰が促進されます^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]。}一方、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。このような条件下では、加熱された液体は沸騰遅延を示し、沸騰せずに沸点をやや超えることがあります。

均一核生成とは、液体の中心部が温かく、容器の表面が冷たい場合に、気泡が表面ではなく周囲の液体から形成される現象である。これは、例えば電子レンジで水を加熱し、容器自体は加熱しないため、実現可能である。

臨界熱流束(CHF) は、加熱中に相変化が発生する現象 (水を加熱するために使用される金属表面に気泡が形成されるなど) の熱的限界を表し、これにより熱伝達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。沸騰面が臨界温度を超えて加熱されると、表面に蒸気膜が形成されます。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、遷移沸騰領域に入ります。これが起こる点は、沸騰流体と問題の加熱面の特性に依存します。^{[ 3 ]}

遷移沸騰とは、核沸騰で到達可能な最高温度と膜沸騰で到達可能な最低温度の間の表面温度で発生する不安定な沸騰と定義できる。

加熱された液体中に気泡が発生する現象は複雑な物理過程であり、多くの場合、キャビテーションや音響効果が関与する。例えば、まだ気泡が表面に沸騰するほど加熱されていないやかんの中で聞こえる、広範囲にわたるシューという音などがその例である。

液体を加熱する表面の温度が液体自体の温度よりも著しく高い場合、膜沸騰が発生します。熱伝導率の低い薄い蒸気層が液体の表面を覆い、断熱効果を発揮します。このように蒸気膜が表面を液体から遮断する状態が、膜沸騰の特徴です。

「プール沸騰」とは、強制対流のない沸騰現象を指します。この場合、流れは密度勾配によって生じます。上記で述べたどの沸騰状態にもなり得ます。

「流動沸騰」は、沸騰流体がパイプ内を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。流動沸騰の流れは、多くの場合、ボイド率パラメータによって特徴付けられます。これは、システム内の体積のうち蒸気である割合を示します。この割合と密度を使用して、気相にある質量分率を指す蒸気乾き度を計算できます。流動沸騰は非常に複雑で、密度、流量、熱流束、表面張力の影響が大きくなります。同じシステム内に、液体、気体、および二相流の領域が存在する場合があります。このような二相領域は、あらゆるシステムの中で最も優れた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、通常はギャップ間隔と毛細管長を比較するボンド数によって特徴付けられます。閉じ込め沸騰領域は、Bo < 0.5 の場合に主要な役割を果たし始めます。この沸騰領域は、蒸気が去った後に残る「蒸気幹気泡」によって支配されます。 ^{[ 6 ]}これらの気泡は、蒸気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いですが、CHF は低くなります。CHF は、二相界面での蒸気運動力と表面張力および静水圧が釣り合い、ドライスポットの不可逆的な成長につながるときに発生します。^{[ 7 ]}閉じ込め沸騰は、電子機器の冷却に特に有望です。

揮発性液体の混合物は、その混合物固有の沸点を​​持ち、一定の成分比率で蒸気を発生させます。これを定沸点混合物といいます。この特性により、液体の混合物を沸騰によって分離または部分的に分離することが可能となり、エタノールと水を分離する手段として最もよく知られています。

ほとんどの冷凍装置と一部の空調装置は、ガスを圧縮して液体にし、沸騰させることで作動します。これにより周囲から熱が吸収され、冷蔵庫や冷凍庫内を冷却したり、建物に入る空気を冷却したりします。代表的な液体としては、プロパン、アンモニア、二酸化炭素、窒素などが挙げられます。

水の消毒方法として、水を沸点である100 °C (212 °F)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しても効果があり、腸関連疾患の原因となる微生物のほとんどを除去する単一ステップのプロセスであるため、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は100 °C (212 °F)です。 ^{[ 9 ]}適切な浄水システムがある場所では、化学毒素や不純物を除去できないため、緊急時の処理方法、または荒野や農村地域で飲料水を得るための方法としてのみ推奨されます。^{[ 10 ] [ 11 ]}    

沸騰による微生物の除去は一次反応速度論に従います。つまり、高温では短時間で、低温では長時間かかります。微生物の熱感受性は様々で、70 ℃（158 °F）では、ジアルジア属（ジアルジア症の原因菌）は完全に不活化するのに10分かかることがありますが、ほとんどの腸に影響を与える微生物や大腸菌（胃腸炎の原因菌）は1分未満で不活化します。沸騰点では、コレラ菌 （コレラの原因菌）は10秒、A型肝炎ウイルス（黄疸の原因菌）は1分で不活化します。沸騰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。クロストリジウム属の細菌胞子は100 ℃（212 °F）でも生存できますが、水系感染や腸への影響はありません。したがって、人間の健康のためには、水の完全な殺菌は必要ありません。^{[ 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す。微生物は60 ℃（140 °F）以上の温度で死滅し始め、沸点に達することは温度計を使わなくても確認できる有用な指標でもあり、この時点で水は消毒されます。沸点は高度の上昇とともに低下しますが、消毒プロセスに影響を与えるほどではありません。^{[ 8 ] [ 12 ]}  

茹でるというのは、沸騰したお湯や、だし汁や牛乳などの水ベースの液体で食品を調理する方法です。^{[ 13 ]}弱火で煮るというのは、ゆるく煮るのに対し、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、一般的に100 °C (212 °F; 373 K)と考えられています。圧力と液体の組成の変化により、液体の沸点が変化する場合があります。沸点は大気圧の関数であるため、高地での調理は一般的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、沸騰したお湯が食品を適切に調理するのに十分な温度にならない場合があります。^{[ 16 ]}同様に、圧力鍋のように圧力を上げると、内容物の温度が開放空気の沸点よりも高くなります。       

「ボイルインバッグ」とも呼ばれるこの調理法は、厚手のビニール袋に密封された調理済みの食品を加熱または調理するものです。食品が入った袋（多くの場合冷凍）を沸騰したお湯に所定の時間浸します。^{[ 17 ]}この調理法では鍋やフライパンを汚す必要がないため、より手軽に料理を作ることができます。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ます。