水蒸気のソースを表示

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'''水蒸気'''（すいじょうき、'''スチーム'''ともいう）は、[[水]]が[[気化]]した[[蒸気]]。空気中の水蒸気量、特に[[飽和水蒸気量]]に対する水蒸気量の割合のことを[[湿度]]という。

== 水蒸気と湯気 ==
{{wiktionary|ゆげ|湯気}}
水蒸気と湯気は状態と性質が異なり、水蒸気が気体で目に見えないのに対し、湯気は液体で目に見える状態である<ref>{{Cite journal|和書 |author=渡辺勇三 |year=2010 |url=https://doi.org/10.14935/jssep.34.0_455 |title=1P1-C2 面白科学実験を数量的に議論する(インタラクティブ(1),インタラクティブセッション,次世代の科学力を育てる-社会とのグラウンディングを求めて-) |journal=日本科学教育学会年会論文集 |ISSN=2186-3628 |publisher=日本科学教育学会 |volume=34 |pages=455-456 |doi=10.14935/jssep.34.0_455 |ref=harv}}</ref>。[[霧]]、川霧、[[温泉]]の湯煙、湯を沸かしている[[やかん]]の口から出る湯気、寒い朝の白い息などは、水が[[蒸発]]後に冷却され[[凝縮|凝結]]したもので、その生じた液体も直後に蒸発して瞬時に消えてしまうことが多い<ref>{{Cite journal|和書 |author=山下晃 |year=1998 |url=https://doi.org/10.3154/jvs.18.70_192 |title=手作り実験あれこれ――教育の現場からPart 3 (1) |journal=可視化情報学会誌 |ISSN=09164731 |publisher=可視化情報学会 |volume=18 |issue=70 |pages=192-197_1 |doi=10.3154/jvs.18.70_192 |ref=harv}}</ref>。

なお、「蒸気」は科学時代になって生まれた概念であるため、ほとんどの国で湯気から派生した言葉を当てている<ref name="ishida">{{Cite journal|和書 |author=石田博幸, 木村久美子 |date=2006-11 |url=https://dl.ndl.go.jp/pid/10417043/1/1 |title=C-08 ブラジルとアジア諸国の科学用語比較(日本理科教育学会 第53回東海支部大会) |journal=日本理科教育学会東海支部大会研究発表要旨集 |publisher=日本理科教育学会東海支部大会事務局 |page=55 |id={{NDLJP|10417043}}}}</ref>。例えば[[タイ語]]では「アイナム」といい蒸気と水蒸気、湯気の区別がない<ref name="ishida" />。一方、[[英語]]ではsteam（湯気）とvapor（蒸気）があり、後者のほうが意味的には揮発に近く水からは離れているとされる<ref name="ishida" />。

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ファイル:Kochendes wasser02.jpg|水蒸気は無色である
ファイル:Watervapor cup.jpg|ティーカップから立ち上る水蒸気を含む湯気
ファイル:Kusatsu yubatake 200503.jpg|湯煙（[[草津温泉]]の[[湯畑]]）
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== 水と蒸気 ==
{{出典の明記|date=2023年11月|section=1}}
一定圧力下で常温の水をゆっくり加熱すると<ref group="注釈">水全体の温度が均一になる程度にゆっくりと加熱するとする。強く加熱すると加熱面近くの水の温度が上昇し、場合によってはそこから蒸気泡が生じる。液中から蒸気泡が生じる蒸発を[[沸騰]]とよぶ。</ref>、ある温度（大気圧 760 [[水銀柱ミリメートル|mmHg]] のもとでは 100 [[セルシウス度|℃]]）で蒸気に変わる<ref group="注釈">気体の占める部分は空気等を除去し、液体と同じ圧力の水蒸気だけとする。</ref>。加熱に伴って水が[[蒸発]]し全体の体積が増加するが、その間温度は一定のまま変わらない。すべての水が蒸発して気体となった後、ゆっくりとさらに加熱すると、蒸気の温度は再び増加し始める。
[[ファイル:Pv_Chart_of_Water.svg|thumb|right|325px|水の P-v 線図]]

蒸気となった水を冷却すると、同じ経路を逆にたどって、蒸気は[[凝縮]]して液体の水になる。以上の変化は、水に限らず一般の物質に共通している。一部の水（液体）が蒸発を始める温度を、その圧力における'''飽和温度'''とよび<ref group="注釈">標準大気圧 760 mmHg での飽和温度を特に[[沸点]]とよび区別する。水の沸点は 100 ℃（正確には 99.9743 ℃）である。[[沸点]]という用語は、圧力を標準大気圧に限定せずに、広く飽和温度の意味で用いられる場合もある。</ref>、逆にその圧力を、その温度における'''飽和圧力（飽和蒸気圧）'''とよぶ。標準大気圧の水の飽和温度は 100 ℃ であり、100 ℃ の水の飽和圧力は 760 mmHg = 1013.25 hPa である。飽和温度は圧力が上昇すると共に上昇する。

{{Anchors|飽和蒸気と過熱蒸気}}飽和温度の水（液体）を'''飽和水'''（水以外では飽和液）、蒸気を'''飽和蒸気'''とよび、飽和温度以下の温度の水（液体）を'''サブクール水'''（水以外ではサブクール液）、飽和温度以上の温度の蒸気（気体）を'''過熱蒸気'''（水以外でも同じ）とよぶ。サブクール水または過熱蒸気の[[熱力学|熱力学的状態]]は、二つの状態量（通常は圧力と温度）で指定することができる。
[[ファイル:TS-Wasserdampf_engl.png|thumb|right|325px|水の T-s 線図]]

蒸気泡を含んだ水や水滴を含んだ蒸気は一般に'''湿り蒸気'''とよばれる。水と蒸気が熱力学的平衡（圧力と温度があい等しい）であれば、飽和水（液）と飽和蒸気の混合物である。湿り蒸気であれば圧力は飽和圧力であり、温度は飽和温度である。湿り蒸気の熱力学的状態は圧力または温度に加えて、次式の{{仮リンク|乾き度|en|Vapor quality}} {{math|&chi;}} を用いて指定することができる。

:<math>\chi = \frac{m_\mathrm{vapour}}{m_\mathrm{total}}</math>
::<math>m_\mathrm{vapour}</math>:気体の質量、<math>m_\mathrm{total}</math>:全体の質量

[[ファイル:HS-Wasserdampf_engl.png|thumb|right|325px|水の h-s 線図]]

圧力が高くなると、気体の飽和蒸気の[[比容積|比体積]]（単位質量あたりの体積）は小さくなり、一方飽和水の比体積は飽和温度が高くなるため少しずつ大きくなり、ある圧力で飽和水と飽和蒸気の状態は一点に合体する。この状態は[[臨界点]]とよばれ、臨界点以上の圧力では液体と気体の区別をつけることはできなくなる（⇒[[超臨界流体]]）。水の臨界点は、圧力 {{Convert2|220.64|bar|MPa atm|lk=on}} 、温度 {{Convert|373.95|C|K|lk=on}} 、比体積 0.0031700 m<sup>3</sup>/kg である。

湿り蒸気を密閉容器の中でゆっくり冷却すると、蒸気の一部が凝縮すると共に温度と圧力が低下する。湿り蒸気を維持したままある温度に達すると、湿り蒸気の一部に氷が生じ、温度も圧力も変化しなくなる。この状態を[[三重点]]とよび、水の場合は、温度 {{Convert|0.01|C|K}}、圧力 {{Convert2|0.006112|bar|MPa atm}} である。水の三重点は国際単位系の温度定義の基準点に用いられている。

三重点の水をさらに冷却すると、水が氷に変化（[[凝固]]）し、水がなくなると温度と圧力が再び低下し始め、蒸気が氷に変化（固体と気体間の状態変化を総じて[[昇華 (化学)|昇華]]という）する。液体の水は、三重点と臨界点の間の限られた圧力範囲で存在することになる。これらの事がらは、水に限らず一般の物質に共通した性質である。

== 水蒸気の利用 ==
食品分野では古くから[[蒸し料理]]、澱粉性食品の加工や焼成に用いられてきた<ref name="iyota">{{Cite journal|和書 |author=伊與田浩志 |date=2024-03 |url=https://doi.org/10.11301/jsfe.23641 |title=食品加工における過熱水蒸気利用に関する研究 |journal=日本食品工学会誌 |ISSN=1345-7942 |publisher=日本食品工学会 |volume=25 |issue=1 |pages=1-7 |doi=10.11301/jsfe.23641 |ref=harv}}</ref><ref>{{Cite journal|和書 |author=小野和広 |date=2008-03 |url=https://doi.org/10.3136/nskkk.55.121 |title=過熱水蒸気 |journal=日本食品科学工学会誌 |ISSN=1341-027X |publisher=日本食品科学工学会 |volume=55 |issue=3 |pages=121-121 |doi=10.3136/nskkk.55.121 |ref=harv}}</ref>。業務用厨房機器や食品加工装置（[[スチームコンベクションオーブン]]など）や調理家電（[[炊飯器]]など）にも利用されている<ref name="iyota" />。[[圧力釜]]や[[オートクレーブ]]もほぼこれを利用している。

また、水蒸気を利用した[[蒸気機関]]は、主に[[産業革命]]以降に熱エネルギーから運動エネルギーへ変換する[[原動機|動力源]]として重要な役割を担った<ref name="iyota" />。[[汽力発電]]（[[火力発電]]や[[原子力発電]]）で[[蒸気タービン]]の駆動に利用されている。

このほか、水蒸気を[[熱媒]]とした[[蒸気暖房]]、[[風呂|蒸し風呂]]、高温を利用した[[清掃用具]]（スチームクリーナー）がある。

== 注釈 ==
{{Reflist|group="注釈"}}

== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
{{Reflist}}

== 関連項目 ==
<!-- {{Wiktionary}} -->
{{Commonscat|Water vapor}}
* [[蒸気]]
**[[蒸気圧]]
**[[蒸気霧]]（川霧・湖霧・湖沼霧・[[海霧]]）
* [[飽和水蒸気量]]
* [[湿度]]
* [[水蒸気爆発]]
* [[地球の大気]]
* [[空気]]
* [[温室効果ガス]]

{{Normdaten}}
{{デフォルトソート:すいしようき}}
[[Category:水環境]]
[[Category:大気]]
[[Category:温室効果ガス]]
[[Category:熱力学]]
[[Category:水の形態]]