蒸気圧

蒸気圧とは

蒸気圧（じょうきあつ）とは、液体または固体が存在する状態において、その物質の気相部分が持つ圧力のことを指します。これは、液体や固体が気体に変わる際の状態を表す特有の物性値であり、温度によって異なります。特に、物質が液体の場合の沸点とは、その液体の蒸気圧が外部からの圧力と等しくなる温度のことを言い、固体の場合の昇華点はその固体の蒸気圧が外部圧力に達する温度を指します。そして、三重点は液相と固相が平衡状態にあり、その蒸気圧が外部圧力に等しくなる温度です。

蒸気圧と気液平衡

液体の周囲に存在する蒸気の分圧がその液体の蒸気圧に匹敵する際、その状態は気液平衡と呼ばれます。この均衡が維持されるには、温度を上昇させると蒸気圧が上がり、蒸気の分圧が増加します。ここで気体を理想気体として扱う場合、分圧は蒸気の量に比例します。液体が蒸発することで蒸気量が増加し、ついには新たな温度での蒸気圧に達して再び気液平衡に戻ります。

反対に、温度を下げると蒸気圧が下がり、蒸気が液体に戻ることで分圧も低くなり、一定の温度で新たに気液平衡に達します。固相と気相の相平衡においても、温度変化に応じて物質は昇華し、蒸気圧と分圧が均衡を保つこととなります。

蒸気圧の計算式

純物質の蒸気圧は、クラウジウス・クラペイロンの式を使って近似されることが一般的です。また、溶液の場合は蒸気圧降下が観測され、これはラウールの法則によって近似されます。これにより、様々な条件下での物質の蒸気圧を予測することが可能となります。

水の蒸気圧の特性

例えば、理想的な水の蒸気圧について考えると、他の液体と同じように、水がその周囲の大気圧に達すると沸騰します。特に標高が高くなると大気圧が低下し、水はより低い温度で沸騰します。この際の水の沸点と大気圧との関係式は、アントワン式と呼ばれる実験式に基づいて求められます。この式は使用する単位や対数の底によって異なる係数を持ち、一般的にはトル（Torr）単位の大気圧とセルシウス度（°C）で表されます。

気象学における蒸気圧

気象学では、「蒸気圧」という言葉は一般的に空気中の水蒸気の分圧を指します。この場合、水蒸気が気液平衡にあるとは限りません。水蒸気が気液平衡にある際の分圧は「平衡蒸気圧」または「飽和蒸気圧」と呼ばれ、特に水面の直上の大気中に存在する液体水を考慮することもあります。

曲面を持つ液滴の蒸気圧

さらに、液体の表面が曲率を持つ場合（例えば液滴など）には、蒸気圧は表面張力の影響を受けます。この蒸気圧はトムソン・ギブスの式、あるいはケルビン方程式を用いて計算されます。これにより、液滴の半径や温度などの要素が蒸気圧に与える影響を定量的に理解することができます。

蒸気圧は物理学や化学はもちろん、気象学の分野においても重要な概念であり、物質の性質や状態変化を理解するための基礎となる情報です。

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