水の表面張力、水蒸気圧について

こないだ、気象予報士のテキストの「表面張力」の項を読んでいたら
「一般に、飽和水蒸気圧の値は水平な水面に対しての値で、水滴のような球形に対する飽和水蒸気圧ではありません。水滴に対する飽和水蒸気圧は水滴の表面張力の影響で水面に対する値より大きくなります。」と書かれていました。正直、この文の意味がわかりません。水蒸気圧って水蒸気分子による分圧のことですよね?水面と水滴って関係あるのですか?

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  • 登録:2012/10/21 18:43:13
  • 終了:2012/10/28 18:45:03

回答(2件)

id:meefla No.1

meefla回答回数985ベストアンサー獲得回数4612012/10/22 20:22:58

雲の成因に関係した記述だろうと推察します。

(1)雲の発生に凝結核が必要なのはなぜ?  

 水蒸気が飽和水蒸気圧(100%)で凝結するというのは,水蒸気を含んだ空気が平らな水面と接触しているときの話です。接触している水面が水滴の場合は,表面張力が影響するため,凝結が始まる水蒸気圧の値は100%より大きくな ります。表面張力の影響は水滴の半径が小さいほど大きいので,凝結が始まる水蒸気圧は小さな水滴ほど大きくなります。

 Wilsonが行った有名な霧箱の実験で,純粋な水蒸気だけを含んだ空気では,水蒸気圧が320 ~500%の過飽和状態にならないと凝結しないことが確かめられました。水滴の大きさが0.01μmでは112.5%, 0.1μmでは101.2%の過飽和状態にならないと凝結しないことも確かめられています。

晴れ,曇り,雨の日の違いは何

というわけで、凝結核がなければ、雲はめったに発生しない気象現象になっていた事でしょう。

ちなみに、表面張力とは関係無さそうですが、水滴の飽和水蒸気圧は雨の成因とも関連しています。
参考:
雨が降るしくみ - バイオウェザー・お天気豆知識
過冷却、過冷却水滴、雨粒の形成 - バイオウェザー・お天気豆知識

大陸移動説で有名なヴェーゲナーは、こんな所でも業績を残しているんですね。

id:tikuwa-10_09

回答ありがとうございます。
色々リンク貼ってくださってすみません。
コメントにこの質問で理解した事を書いてみたのですが合ってるでしょうか?

2012/10/23 21:04:59
id:martyan No.2

martyan回答回数98ベストアンサー獲得回数122012/10/22 21:45:33

そもそも表面張力というものがなぜ生まれるのかというところから説明します。
表面張力がどこから生まれるのかというと、原子同士の結合力で、液体と気体の境界面を例に上げれば、液体を構成する全ての結合の手が液体原子同士で結ばれている原子と、
気体と接している一部原子と結合していない原子との力(エネルギー状態)の差です。
(結合している方が安定している。)

”結合していない・結合しても必要エネルギーが減らず安定しない”結合する手(面でもいい)をできるだけ減らそうとするからフライパン上や自然の形では液体は球になったり、結合しやすいガラスなどに沿って変形するわけですね。

ですから半径が小さいほど水滴の分子の個数あたりの表面積=他と結合していない割合
が大きくなって、その水滴が大きくなる時に余分にエネルギーが必要になります。
逆に言えば小さくなるのも半径が大きい水滴と比べてエネルギーが必要ない。
⇨蒸発して消えやすく増やしにくく、増やすのに周りに余分に水蒸気分がいる。⇨飽和水蒸気圧がより大きくなければならない。ということになります。
(液滴の平衡蒸気圧が大きくなる)

水分子一つあたりに対してどれだけエネルギー的に不安定になるかというのは
 表面積あたりに必要になるエネルギー/体積 → 半径rに反比例して
1つ分に必要なエネルギーが増える。
⇨水滴が普通に存在できる状態でもむしろある程度以上の大きさの核が偶然できるまでは水蒸気のままでいたほうが安定になる。

それで実際にどのぐらい飽和水蒸気圧が増える必要があるのかというと、
目に見える液滴では無視する程度しか変わりませんが、
(なにしろ↑の人の通り0.01μmでも112.5%程度しか飽和蒸気圧が増えない)
液滴の核が生まれる時の大きさで言うと関係があるようになるので
結合する場所が増えるゴミなどの面上に液滴や雪の核ができやすくなります。

ちなみにテレビなんかでやっている、冷蔵庫から出して衝撃を与えると凍る水
(過冷却現象)というのも水の中のゴミ(不純物)が少ない状態で静かに冷やすと
ゴミに寄り添って成長する氷の核ができないからで、そこに衝撃や振動によって
一度核を作ってやると(なんでできるんでしょうね)その核は大きくなるほどに
エネルギー的により小さい核より安定になるので一気に成長して、氷が瞬時に成長する。という仕組みになってます。

書いてて必要以上に理屈ぽくなったのと、力不足でわかりにくくなったなと思うけどごめんね。(元が原子同士の結合エネルギーなので、表面張力と蒸発熱との間にも実は関係があるとか毛細管現象も表面張力とか何とかは完全に蛇足も蛇足だろうな。)

id:tikuwa-10_09

回答ありがとうございます。
>書いてて必要以上に理屈ぽくなった
細かい説明が逆に理解を深めました(笑)
コメントに理解した事を書いてみたのですが合ってるでしょうか?

2012/10/23 21:04:24
  • id:tikuwa-10_09
    つまり
    「水滴は水面に比べ表面張力の影響が大きく水蒸気圧が余計必要となり、通常(水面に対する)の相対湿度100%では凝結しない。よって飽和水蒸気圧が大きくなる(過飽和)」
    ということですかね?
  • id:martyan
    あってます。
  • id:meefla
    おおむね合ってると思います。
    「水滴は水面に比べ表面張力の影響が大きく水蒸気圧が余計必要となり、飽和水蒸気圧が大きくなる。よって、通常(水面に対する)の飽和水蒸気圧では凝結しない(過飽和状態が必要になる)」
    の方がベターかもしれません。
  • id:tikuwa-10_09
    お二方ともありがとうございますm(_ _)m

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