温度と圧力と水蒸気

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日本では温度の単位は摂氏〇〇℃という形で、セルシウス温度が使われています。そして、このセルシウス温度では摂氏0℃で水が凍り、摂氏100℃で水が沸騰します。

 

水が沸騰する温度を飽和温度(沸点)といいます。

 

ここで言う摂氏0℃で水が凍り、摂氏100℃で水が沸騰する、というのは私達が暮らしている標準大気圧の環境下での話です。

 

標準大気圧である1気圧(atm)は1013hPa(ヘクトパスカル)です。

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もしかして聞いたことがあるかも知れませんが、富士山の頂上でカップラーメンを作ると

 

 

「不味い」

 

 

と言われています。これは富士山の頂上はおよそ638hPa(ヘクトパスカル)であり、その時の水の飽和温度(沸点)が88℃だからです。

 

いくら水が沸騰してぶくぶくなっていても、88℃という低い温度でカップラーメンを作ると中途半端な仕上がりにしかならず、味もいまいちという訳ですね。(普通は98℃以上でつくりますよね)

 

この事から分かるように、圧力が変わると水の飽和温度も変わり、圧力が高いほど飽和温度は高くなります。

 

圧力

先ほど標準大気圧の話をしましたが、大気圧はどんな物にもかかっています。なので、圧力計に示される数値は大気圧を差し引いて表すようになっています。

 

言い換えれば大気圧0(ゼロ)を基準にした圧力を示しており、これをゲージ圧力といいます。このゲージ圧力に大気圧を加えたものを絶対圧力といいます。

 

ゲージ圧力=絶対圧力ー大気圧
絶対圧力=ゲージ圧力+大気圧

 

ボイラーでは標準大気圧より高い圧力の蒸気を取り扱うので、単位はhPa(ヘクトパスカル)ではなく、MPa(メガパスカル)を用います。

 

いくつか単位が出てきましたが、以下の概算値を覚えておくと実業務で役に立つことがありますよ。

1atm ≒ 1000hPa ≒ 10mH2O ≒ 0.1MPa≒ 1kgf/cm2

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潜熱・顕熱・比エンタルピ

以下は試験にもよく出ますので、まずは言葉をそのまま覚えましょう。あとで解説します。

単語 意味
飽和蒸気 飽和水と同じ温度の蒸気のこと。ほとんどが水分を含む湿り飽和蒸気だが、熱を加えて水分を含まないものを乾き飽和蒸気と呼ぶ。
過熱蒸気 飽和温度より高い蒸気
過熱度 加熱蒸気と飽和蒸気の温度差
顕熱(けんねつ) 飽和温度に達するまでに加える熱量のこと。
潜熱(せんねつ) 飽和水から飽和蒸気(液体から気体)に変えるのに使われる熱量のこと。この時に飽和水の温度は変わらない。圧力が高くなるほと潜熱は小さくなる。
臨界点 圧力が22.06MPaで潜熱が0の状態のこと。
比エンタルピ(kJ/kg) 1㎏あたりの物体が保有する全熱量のこと。飽和蒸気の比エンタルピは飽和水1㎏の全熱(顕熱+潜熱)の値。

 

ちなみに熱量の単位はJ(ジュール)です。昔はcal(カロリー)で習ったものですが、いまの国際単位ではJ(ジュール)を使います。

 

1㎏の水を1℃上げるのに必要な熱量は4.187kJ(キロジュール)です。

 

顕熱(けんねつ)は水がぶくぶく沸騰する温度(飽和温度)までに使われた熱量のことで、潜熱(せんねつ)はそのあと、飽和水(液体)を飽和蒸気(気体)に変えるのに使われた熱量のことです。

 

カップラーメンの例でもあったとおり、圧力が高くなるほど飽和温度は高くなります。そして圧力と飽和温度が高くなるほど、潜熱(せんねつ)は反比例して小さくなります。

 

行き着く先が、圧力22.06MPaで潜熱が0のとき、これを臨界点と言います。

 

最後に、水の状態変化を理解するうえで下のグラフを参照ください。

 

以上、簡単でしたが上記を覚えておけば、この範囲の点数は稼げると思います。

 

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