蒸発

蒸発は、液体が気相に変化するとき、その表面で起こる気化の一種です。[ 1 ]周囲の^ガス中の蒸発物質の濃度が高いと、湿度が水の蒸発速度に影響を与える場合など、蒸発が大幅に遅くなります。^[2]液体の分子が衝突すると、衝突の仕方に応じてエネルギーが相互に伝達されます。表面近くの分子が蒸気圧を克服するのに十分なエネルギーを吸収すると、分子は逃げて周囲の空気中にガスとして入ります。^[3]蒸発が起こると、気化した液体から取り除かれたエネルギーによって液体の温度が下がり、蒸発冷却が起こります。^[4]

平均すると、液体中の分子のうち、液体から逃げるのに十分な熱エネルギーを持つのはほんの一部です。液体の蒸発量が凝縮量と等しくなる平衡に達するまで、蒸発は続きます。密閉された環境では、液体は周囲の空気が飽和するまで蒸発します。

蒸発は水循環の重要な部分です。太陽（太陽エネルギー）は、海、湖、土壌の水分、その他の水源からの水の蒸発を引き起こします。水文学では、蒸発と蒸散（植物の気孔内での蒸発を含む）は、まとめて蒸発散と呼ばれます。水の蒸発は、液体の表面が露出したときに起こり、分子が逃げて水蒸気を形成します。この蒸気は上昇して雲を形成します。十分なエネルギーがあれば、液体は蒸気に変わります。

液体の分子が蒸発するためには、分子が表面近くにあり、正しい方向に運動しており、液相の分子間力を克服するのに十分な運動エネルギーを持っている必要があります。^[5]これらの基準を満たす分子がごく一部である場合、蒸発率は低くなります。分子の運動エネルギーは温度に比例するため、温度が高いほど蒸発が速くなります。より速く移動する分子が逃げていくと、残りの分子の平均運動エネルギーが低下し、液体の温度が下がります。この現象は蒸発冷却とも呼ばれます。汗が蒸発すると人体が冷えるのはこのためです。また、気相と液相の間の流量が多いほど、また液体の蒸気圧が高いほど蒸発が速く進む傾向があります。たとえば、物干しロープに干した洗濯物は、風の強い日の方が風のない日よりも早く乾きます（蒸発により）。蒸発の3つの重要な要素は、熱、大気圧（湿度のパーセントを決定）、および空気の動きです。

分子レベルでは、液体状態と気体状態の間に厳密な境界はありません。代わりに、相が不定であるクヌーセン層が存在します。この層は数分子の厚さしかないため、マクロスケールでは明確な相転移界面を見ることはできません。^[6]

特定の温度、特定のガスで目に見えて蒸発しない液体（例：室温での食用油）は、分子が蒸気になるために必要な熱エネルギーを頻繁に与えるのに十分なパターンで、互いにエネルギーを伝達する傾向のない分子を持っています。しかし、これらの液体は蒸発しています。そのプロセスがはるかに遅いため、目に見えにくいだけです。

密閉された空間で蒸発が起こると、逃げ出した分子は液体の上に蒸気として蓄積されます。多くの分子が液体に戻り、蒸気の密度と圧力が増加するにつれて、戻ってくる分子の頻度が高くなります。逃げて戻るプロセスが平衡に達すると、^[5]蒸気は「飽和」したと言われ、蒸気圧と密度、液体の温度のいずれにもそれ以上の変化は起こりません。純粋な物質の蒸気と液体からなるシステムの場合、この平衡状態は物質の蒸気圧に直接関連しており、クラウジウス-クラペイロンの関係で与えられます。

${\displaystyle \ln \left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)=-{\frac {\Delta H_{\rm {vap}}}{R}}\left({\frac {1}{T_{2}}}-{\frac {1}{T_{1}}}\right)}$

ここで、P ₁、P _{2はそれぞれ温度}T ₁、T ₂における蒸気圧、Δ H _vapは蒸発エンタルピー、R は普遍気体定数です。開放系での蒸発率は、閉鎖系での蒸気圧と関連しています。液体を加熱すると、蒸気圧が周囲圧力に達すると液体は沸騰します。

液体の分子が蒸発する能力は、主に個々の粒子が持つ運動エネルギーの量によって決まります。低温であっても、液体の個々の分子は、蒸発に必要な最小量以上の運動エネルギーを持っている場合は蒸発できます。

注: ここでは周囲のガスの一般的な例として空気が使用されていますが、他のガスがその役割を果たす場合もあります。

空気中に蒸発する物質の濃度

空気中にすでに蒸発する物質の濃度が高い場合、その物質はよりゆっくりと蒸発します。

空気の流量

これは、上記の濃度ポイントに一部関連しています。「新鮮な」空気 (つまり、物質や他の物質で飽和していない空気) が常に物質の上を移動している場合、空気中の物質の濃度は時間の経過とともに上昇する可能性が低くなり、蒸発が促進されます。これは、蒸発面の境界層が流速とともに減少し、停滞層内の拡散距離が減少する結果です。

液体に溶解したミネラルの量

分子間力

分子を液体状態に保持する力が強いほど、脱出するために必要なエネルギーが大きくなります。これは蒸発エンタルピーによって特徴付けられます。

プレッシャー

分子の飛翔を妨げる表面の力が少ないほど、蒸発は早く起こります。

表面積

表面積が大きい物質は、単位体積あたりに逃げることができる表面分子の数が多いため、より速く蒸発します。

物質の温度

物質の温度が高くなるほど、その表面の分子の運動エネルギーが大きくなり、したがって蒸発速度も速くなります。

光分子効果

光の量は蒸発に影響を与えます。光子が液体の表面に当たると、個々の分子が分離して空気中に消え、追加の熱は必要ありません。^[7]

米国では、国立気象局が全国のさまざまな屋外の場所で、標準化された「パン」開放水面からの実際の蒸発率を測定しています。他の機関も世界中で同様のことを行っています。米国のデータは収集され、年間蒸発量マップにまとめられています。測定値は、年間 30 インチ (3,000 mm) 未満から 120 インチ (3,000 mm) 以上までの範囲です。

水の蒸発は複雑な環境で起こることが多く、蒸発が極めて稀な現象であるため、そのメカニズムは完全には解明されていない。理論計算には、非常に長く大規模なコンピューターシミュレーションが必要となる。「液体の水の蒸発率は、現代の気候モデルにおける主要な不確実性の1つである。」^{[8] [9]}

蒸発は、蒸発中に熱が吸収されるため、吸熱過程です。

• 工業用途には、多くの印刷およびコーティングプロセス、溶液からの塩の回収、木材、紙、布、化学物質などのさまざまな材料の乾燥が含まれます。
• サンプルを乾燥または濃縮するために蒸発を利用することは、分光法やクロマトグラフィーなどの多くの実験室分析における一般的な準備手順です。この目的で使用されるシステムには、ロータリーエバポレーターと遠心エバポレーターがあります。
• 洗濯物を物干し竿に干すと、周囲の温度が水の沸点より低くても、水分は蒸発します。これは、湿度の低さ、熱（太陽熱）、風などの要因によって促進されます。衣類乾燥機では、衣類に熱風が吹き付けられ、水分が非常に急速に蒸発します。
• マトキ/マトカは、水やその他の液体を保存および冷却するために使用される伝統的なインドの多孔質粘土容器です。
• ボティーホは、蒸発によって中の水を冷やすように設計された、スペインの伝統的な多孔質粘土の容器です。
• 蒸発冷却装置は、水で飽和させたフィルターに乾燥した空気を吹き付けるだけで、建物を大幅に冷却できます。

燃料液滴は燃焼室内の高温ガスと混合して熱を受け取り、気化します。また、燃焼室内の高温の耐火壁からの放射によっても熱（エネルギー）を受け取ることができます。

内燃機関は、シリンダー内で燃料が気化して燃料と空気の混合気を形成し、よく燃焼します。ガソリンを完全に燃焼させる化学的に正しい燃料と空気の混合比は、空気 15 に対してガソリン 1、つまり重量比で 15/1 と決定されています。これを体積比に置き換えると、空気 8000 に対してガソリン 1、つまり体積比で 8,000/1 になります。

薄膜は、物質を蒸発させて基板上に凝縮するか、物質を溶媒に溶かし、その溶液を基板上に薄く広げて溶媒を蒸発させることによって堆積されます。これらの場合の蒸発速度を推定するために、 ヘルツ・クヌーセンの式がよく使用されます。

Wikisource には、The New Student's Reference Work の記事「蒸発」のテキストがあります。

• 気圧計（蒸発計）
• 沸点
• クリオフォラス
• 結晶化
• 淡水化
• 蒸留
• 乾燥
• 渦共分散フラックス（別名渦相関、渦フラックス）
• 蒸発器
• 蒸発散
• フラッシュ蒸発
• 気化熱
• ヘルツ・クヌーセン方程式
• 水文学（農業）
• 潜熱
• 潜熱流束
• パン蒸発
• 昇華（相転移）（固体から気体への直接相転移）
• 蒸散

無料辞書『ウィクショナリー』で「蒸発」を調べてください。

ウィキメディア・コモンズの蒸発に関連するメディア