相図 わかりやすく

状態図は二つの軸の地図で、横は温度、縦は圧力です。点をドラッグして平面の上を歩き回ると、点が置かれた領域がその条件で物質がどの相かを教えます。左上の冷たく高い圧力の側は固体、真ん中は液体、右下の熱く低い圧力の側は気体です。温度だけ上げても固体は溶け、圧力だけ下げても液体は沸き得るので、大切なのは相が物質の種類ではなく条件によることです。同じ水も高い山では 100 度になる前に沸きますが、山の上の低い圧力のため状態図で沸騰の境界が移ったからです。逆に圧力鍋はふたをきつく閉めて内側の圧力を高め、水が 100 度を超えてから沸くようにして、より熱い水で食べ物を早く煮ます。

今度は領域を分ける境界線に注目します。ボタンで境界を一つずつ選ぶと、固体と液体のあいだの境界である融解線の上では氷と水が一緒にあり、液体と気体のあいだの気化線の上では水と水蒸気が一緒にあります。固体と気体が直接会う昇華線もあり、ドライアイスが溶けずにすぐ蒸気に変わるのがこれです。境界線の上では二つの相が平衡を保って共存し、三つの境界線が一点で会う場所が三重点で、そこでは固体と液体と気体が同時に仲良く共存します。物質ごとにこの三重点の温度と圧力は一つに決まっています。水の三重点はいつどこで測っても同じように出るほど正確で、三重点を再現する密封セルが温度計を校正する基準点に使われます。

今度は圧力と体積で描いた P-v 線図です。真ん中に盛り上がったドームが見え、このドームの内側が飽和領域、つまり液体と気体が混ざっている区間です。スライダーで体積を増やすと、ドームの左の外側は圧縮された液体、ドームの中は液体と蒸気が一緒にある混合物、ドームの右の外側は過熱された蒸気だと分かります。ドームの中では蒸気が占める割合を乾き度と呼び、左端は乾き度 0 で沸き始めたばかりの飽和液、右端は乾き度 1 で完全に蒸発した飽和蒸気です。ドームの左の曲線と右の曲線が会う頂上が臨界点で、それは最後の場面で扱います。このドームと乾き度は発電所で特に大切で、液滴の残った湿り蒸気は乾き度が低くタービン翼を削るので、技術者たちはこの乾き度をよく見ます。

沸いているあいだ何が起きるかを見ます。鍋の水が沸くとき火をいくら強くしても水の温度は 100 度からそれ以上上がりませんが、スライダーで蒸発の進み具合をドラッグすると、液体がしだいに蒸気に変わりながらも温度も圧力もそのままです。加えた熱は温度を上げるのに使われるのではなく、分子を液体から引き離して気体にするのにまるごと使われ、これを潜熱といいます。だから相が変わるあいだは等温でありながら等圧で、体積だけ大きく増え、P-v 線図ではこの過程がドームの中を横切る平らな線で現れます。沸騰する水が全部蒸発するまで温度計が動かない理由がまさにこれです。この潜熱のおかげで汗が冷やしてもくれ、汗が蒸発しながら皮膚から潜熱をそれだけ奪うので涼しくなります。

最後はドームの頂上、つまり臨界点です。スライダーで温度を上げると、温度が高くなるほどドームを横切る平らな区間、つまり液体と気体が分かれる区間がしだいに短くなり、臨界温度に達すると一点に縮みます。この点が臨界点です。この温度と圧力を超えると、液体と気体の区別がまったく消える驚くことが起きます。沸騰の境界もなく、どこまでが液体でどこからが気体か言えないこの状態を超臨界流体といい、液体のように密でありながら気体のように自由に広がります。だから臨界点は状態図で沸騰の境界が終わる地点でもあります。この超臨界状態は実際にも使われ、超臨界二酸化炭素は気体のように豆の中へ入り込みながら液体のようにカフェインを溶かし出して、コーヒーのカフェインを抜くのに使われます。