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沸騰

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水の沸騰 (スロー映像)

沸騰（ふっとう、英語: boiling）とは、液体から気体への相変化が液中で起こることにより気泡が発生する現象である^[1]。

概要

物質の蒸気圧は温度が上がると高くなる。加熱面近傍の流体温度が高くなり、気泡を押しつぶそうとする液体の圧力と表面張力による力を蒸気圧が上回るようになると^[2]、気泡は大きくなることができ、沸騰する。物質の蒸気圧が液体の圧力と等しくなる温度を沸点（飽和温度）、特に圧力1 気圧での沸点を標準沸点という^[3]。沸騰するためには少なくとも加熱面近傍の液体温度が沸点より高くなければならない。沸点に対する温度上昇を過熱度（かねつど、英語: degree of superheating）^[1]と呼ぶ。

気泡は加熱面の微細な凹部など発泡点に留まる気体を核として^[2]次々に発生すると考えられている。成長した気泡が発泡点から離脱後、残留する微小な気泡核がまた成長して離脱することが繰り返される。多くの場合、液体を注いだときに容器の微細なキズに残留していた気体や、液体に溶けこんでいた他の物質（例えば水に溶けていた空気）が温度上昇により気体として現れて、初期気泡核になる。この気泡サイクル（英語: bubbling cycle）という理論において、沸騰開始時の最初の気泡がどこから出てくるのかという疑問は、現実問題として後述する突沸（とっぷつ）という現象として顕れる。

沸点は圧力により変わる^[4]。例えば水は 1 気圧下では約 100 °C（99.974 °C^[5]）で沸点に達するが、気圧の低い富士山頂では約 90 °Cで沸騰する^[4]。この原理は圧力鍋での調理^[4]、火力発電や原子力発電などにおいて応用されている^[4]。

不揮発性の物質（気体になりにくい物質）を液体に溶解させると沸点が上昇する。これは沸点上昇と呼ばれる。

沸騰の様相と限界熱流束

発泡点から次々に気泡が発生する状態を核沸騰（かくふっとう、英語: nucleate boiling）という。核沸騰は発生する気泡の干渉有無により分類される。発生する気泡が相互に干渉しない低過熱度領域を孤立気泡域、気泡が液中で合体したり加熱面上の多数の発泡点の干渉により大きな気泡が成長・離脱する過熱度が高い領域を干渉領域という^[6]。干渉領域では大きな気泡が加熱面への液体供給を阻害するようになり、さらに過熱度を高めるとついには加熱面が蒸気の膜で覆われる膜沸騰（まくふっとう、英語: film boiling）に移行する。フェーズが膜沸騰に移行すると蒸気膜を介して加熱面から液体に熱が伝わるようになるため、熱伝達能力が低下する。このような沸騰の様相と伝熱の関係は、過熱度と熱流束により整理された沸騰曲線^[7]（英語: boiling curve）として表現されている。沸騰曲線上で熱伝達性能が急激に低下する核沸騰から膜沸騰への移行点は工学的に非常に重要であり、核沸騰により得られる最大の熱流束を限界熱流束（CHF、英語: critical heat flux）という。

液体の大部分が飽和温度（沸点）に達している場合を飽和沸騰（ほうわふっとう、英語: saturated boiling）と呼ぶ。液体全体の温度が低くても加熱面近傍に飽和温度よりも高い温度の液体層（過熱液層）があれば沸騰は起こり、これをサブクール沸騰（英語: subcooled boiling）という。サブクール沸騰では、発生した気泡は加熱面を離脱した後、周囲の液体に冷やされて凝縮し、気泡が消えるとき激しい音^[1]が発生する。サブクール沸騰は未飽和沸騰や表面沸騰とも呼ばれる。

やかんを火に掛けるように液体をかき混ぜずに沸騰させる場合をプール沸騰（英語: pool boiling）、ボイラーの蒸発管など流れる液体の沸騰は流動沸騰（英語: flow boiling）という。流速、重力方向の影響、気液二相流になることから流動沸騰には様々な様相が現れる。

突沸

液体温度が沸点を大きく超過する過熱状態になっても沸騰が始まらないことがある^[8]^[9]。これは滑らかで清浄な加熱面であったり、そもそも加熱面が存在しない電子レンジによる加熱など、沸騰が始まるときの最初の気泡核が生じにくい条件が原因になる。振動による圧力変化などの外乱をきっかけに、高い過熱度の液体中に気泡核が分散して発生する均質核生成（英語: homogeneous nucleation）^[1]が起こると、突発的に激しく沸騰する。このような過熱度が高くなった液体が突然沸騰する現象は突沸（とっぷつ）と呼ばれる。過熱度が非常に高くなると外乱が無くても、高いエネルギーを持つ分子のムラにより気泡核が流体中のあちこちで生成されて沸騰が始まる。大気圧の水の場合、沸騰させずに約300℃まで昇温した実験例があり、この程度の温度が自発核生成が起こらない限界と考えられている^[10]。

突沸を防ぐため科学実験では沸騰石と呼ばれる多孔質の石が用いられる。また、調理過程でも突沸が起きることがあり、水に限らず、豆乳やコーヒー、みそ汁やカレーなどを温めて容器に触れたりかき混ぜたり、調味料等を加えたわずかな刺激などで高温の液体が激しく弾けるように飛び散り火傷を負う事がある。そのため事故防止の観点から、急な加熱を避けるなどの注意喚起が行われている^[8]^[9]。

沸騰水

沸騰している水を沸騰水という。外圧が変化すると沸点も変わるが、通常は大気圧下で沸騰している約 100 °Cの水が沸騰水として実験で使用される。

常温の水に比べると、やや反応性が高い。たとえば、マグネシウムは、常温では水と反応しないが、沸騰水とは反応する。また、塩化鉄(III)水溶液は沸騰水によって加水分解が促進され、水酸化鉄(III)のコロイドと塩化物イオンと水素イオンに分解される。

表現としての沸騰・沸騰の表現

「沸騰」は本来は水流が激しく泡立ち吹き上がる様な状態を指す熟語である。周の幽王時代の亡国の徴候を天変地異として描くなかに川が荒れ狂う様子を「沸騰」と表現する詩がある^[11]^[12]。

爗爗震電不寧不令百川沸騰山冢崒崩高岸爲谷深谷爲陵哀今之人胡惜莫懲 — 詩経小雅十月之交

また、水が沸騰する様から転じて、個人・集団や場の雰囲気が最高潮に盛り上がる様や不満が爆発する様も指す。

有隋失道、天下沸騰。 — 張行成、諫太宗書^[13]

茶釜でお湯がシュンシュンと音がし始める状態を松風と呼ぶが、この時、温度はまだ100℃で沸騰する前（80～90℃くらい）である。薬缶やポット等でお湯を沸かす際にも、沸騰する前にシュンシュンと音がするがこれも同じものである。これらは時に「嘘煮立ち」とも言う。

出典

[脚注の使い方]

1 2 3 4 『伝熱工学』日本機械学会〈JSMEテキストシリーズ〉、2005年、123頁。ISBN 4-88898-120-5。
1 2 甲藤好郎「沸騰の科学(2)」『日本伝熱学会誌』第44巻第187号、日本伝熱学会、2005年7月、15-20頁。
↑ 竹内 (1996) p. 117.
1 2 3 4 “気圧と沸騰”. 日本原子力研究開発機構. 2014年12月10日時点のオリジナルよりアーカイブ。2014年6月8日閲覧。
↑ 水の性質を参照。
↑ 甲藤好郎「沸騰の科学(3)」『日本伝熱学会誌』第44巻第188号、日本伝熱学会、2005年7月、31-35頁。
↑ 抜山四郎「金屬面と沸騰水との間の傳達熱の極大値竝に極小値決定の實験」『機械學會誌』第37巻第206号、日本機械学会、1934年、367-374頁、ISSN 2433-1546。
1 2 “食品加熱時の突沸に注意(発表情報)_国民生活センター”. 国民生活センター. 2016年10月11日閲覧。
1 2 “調理中の突然沸騰（突沸）による事故の防止について（注意喚起）” (PDF). 製品評価技術基盤機構. 2015年2月19日閲覧。
↑ 甲藤好郎「沸騰の科学(6)」『日本伝熱学会誌』第45巻第191号、日本伝熱学会、2006年4月、29-34頁。
↑ 小林一郎『経書大講第7巻詩經中』平凡社、1938年、164-165頁。doi:10.11501/1047057。
↑ 山本章夫『詩経新註巻之中』山本読書室、1903年11月、73頁。doi:10.11501/753830。
↑ 張行成 (中国語), 諫太宗書 [全唐文], ウィキソースより閲覧。