過熱

熱力学において、過熱（沸騰遅延または沸騰遅延とも呼ばれる）とは、液体が沸騰せずに沸点よりも高い温度まで加熱される現象である。これは準安定状態またはメタ状態と呼ばれ、外部または内部の影響によっていつでも沸騰が発生する可能性がある。^{[ 1 ] [ 2 ]}過熱は、核生成サイトのないきれいな容器内で均質な物質を加熱し、液体を乱さないように注意することによって達成される。

これは、非常に滑らかな容器で水を電子レンジで加熱すると起こる可能性があります。水をかき混ぜると、熱湯が危険な噴出を起こし、火傷につながる可能性があります。^{[ 3 ]}

水が「沸騰する」とは、水蒸気の泡が際限なく膨張し、水面で破裂する現象を指します。水蒸気の泡が膨張するには、水蒸気圧が周囲の圧力（主に大気圧）を上回るほど温度が高くなければなりません。それ以下の温度では、水蒸気の泡は収縮して消滅します。

過熱はこの単純な規則の例外です。液体の蒸気圧が周囲の圧力を超えているにもかかわらず、沸騰しない液体が観察されることがあります。その原因は、気泡の成長を抑制する表面張力という追加の力です。 ^{[ 4 ]}

表面張力によって、気泡は弾力性のある風船のように振る舞います。表面が収縮しようとするため、内部の圧力はわずかに上昇します。気泡が膨張するには、表面張力と周囲の圧力の両方を克服するのに十分な蒸気圧を発生させるために、温度を沸点よりわずかに高くする必要があります。

過熱が爆発的なのは、大きな気泡の方が小さな気泡よりも膨らませやすいからである。風船を膨らませる時と同じように、一番難しいのは最初の段階だ。${\displaystyle \Delta p}$表面張力は直径に反比例する${\displaystyle d}$バブルの。^{[ 5 ]}つまり、${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$。

これは、飛行機が泡を二つに切り分ける様子を想像することで導き出せる。それぞれの半分は表面張力によって中央に向かって引っ張られる。${\displaystyle F\propto \pi d}$これは、過剰な圧力による力と釣り合わなければならない。${\displaystyle \Delta p\times (\pi d^{2}/4)}$それで、次のようになります。${\displaystyle \Delta p(\pi d^{2}/4)\propto \pi d}$、これは以下のように簡略化されます。${\displaystyle \Delta p\propto d^{-1}}$。

これは、容器内の最大の気泡が小さく、直径がわずか数マイクロメートルしかない場合、表面張力を克服するには大きな${\displaystyle \Delta p}$沸点を数度上回る温度が必要となる。気泡が発生し始めると、表面張力が低下するため、正のフィードバックループで爆発的に膨張する。実際には、ほとんどの容器には傷などの欠陥があり、そこに気泡の発生源となる空気のポケットが閉じ込められてしまう。また、微粒子を含む不純な水も空気のポケットを閉じ込める可能性がある。精製された液体を入れた滑らかな容器だけが、確実に過熱することができる。

電子レンジで水を加熱すると、水が入った容器を撹拌せずに放置すると過熱が発生することがあります。容器を取り出す時点では、核生成サイトがないため沸騰は起こらず、表面は静止しています。しかし、水が撹拌されると、一部が激しく蒸気になり、沸騰したお湯が容器から噴き出す可能性があります。^{[ 6 ]}沸騰は、カップを揺らしたり、かき混ぜ器具を入れたり、インスタントコーヒーや砂糖などの物質を加えたりすることで引き起こされることがあります。傷や欠けがあると小さな空気のポケットができ、それが核生成点となるため、滑らかな容器の方が過熱の可能性が高くなります。電子レンジから取り出さずに放置されたコーヒーカップを再加熱するなど、撹拌せずに放置された容器を加熱と冷却のサイクルを繰り返すと、過熱が発生しやすくなります。これは、加熱サイクルによって溶媒から酸素や窒素などの溶存ガスが放出されるためです。電子レンジでの過熱を防ぐ方法としては、容器にスプーンやかき混ぜ棒（金属製の器具を使うのは危険です）をあらかじめ入れておく、傷のついた容器を使うなどがあります。危険な急激な沸騰を避けるため、水を長時間電子レンジで加熱しないことをお勧めします。^{[ 3 ]}

過熱は液体について議論されることが多いが、結晶性固体も平衡融点を超えて一時的に過熱されることがある。初期の理論的研究では、融点のおよそ3倍が上限であり、これは「エントロピー破局」と呼ばれることもあり、それを超えると固体は液体相に対して熱力学的に不安定になると示唆された。^{[ 7 ]}

その後の実験的研究では、超高速加熱下で固体がこの限界を超えて持続することが報告されている。例えば、薄い金膜は、融点の約14倍の温度に相当する約10 ¹⁵ K s ⁻¹までの速度で加熱されたときに、2ピコ秒以上結晶状態を維持することが観察された。この持続性は、極端な加熱速度と、格子がピコ秒の時間スケールで膨張できないことに起因すると考えられている。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

水素液体の過熱は、バブルチャンバーで利用される。

• 電子レンジで加熱された過熱水が爆発的に沸騰する様子を捉えた動画、その現象の理由、そして危険性について解説します。
• ルイス・A・ブルームフィールド著「バージニア大学の物理学教授、ルイス・A・ブルームフィールドによるマイクロ波を用いた油膜過熱水実験シリーズ。実験13は驚くべき激しさで進行する」 。 2008年6月2日にオリジナルからアーカイブ済み。
• 鍋の中の過熱水の動画。