化 学 (物質の状態と変化)

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 【空気中の水分(湿度)】

 一般の空気は,湿度と称される水蒸気を含む。そこで,人が快適と感じる気温 25℃,相対湿度 60%のときに,空気(大気圧)に含まれる水分量を求めてみる。
 相対湿度( RH %)とは,ある気圧,温度での水の飽和水蒸気圧( P* )に対する大気中の水蒸気圧( P )の百分率と定義されている。
     RH %= 100 × P / P* 
 従って,ある温度での水蒸気圧は,飽和水蒸気圧と相対湿度から求められる。
 ある温度( T℃)における飽和水蒸気圧( P* )は,温度の関数(経験式)として求めることができる。

気温(℃)と飽和水蒸気圧( hPa)

気温(℃)と飽和水蒸気圧( hPa)

 大気環境の温度範囲では近似的にはティテン(Tetens)の式が,広い温度範囲ではワグナー(Wagner)の厳密水蒸気圧式が適用できる。
 
    ティテンの式 : P* (T) = 610.78・10{ 7.5 T / ( T+237.3 ) }
    指数関数で示すと=610.78・exp { 17.27 T / ( T+237.3 ) }
 
    ワグナー式 : P* (T) = Pc・exp { ( -7.76451 X+ 1.45838 X1.5-2.7758 X3-1.23303 X6 ) / ( 1-X ) }
     ここで,Pc(臨界圧: 22.12×106 Pa )
         X = 1 - ( T +237.15 ) / Tc
         Tc(臨界温度:647.3 K )
 
 下表に示すように,一般的な気象範囲( 0 ~ 50℃程度)では,いずれの式を用いても大差ない。

飽和水蒸気圧(Pa),ワグナー式/ティテンの式の比較
気温 ワグナー式 ティテンの式 差 ( % )
- 50 6.35 6.08 - 4.6
- 25 80.7 79.9 - 0.93
0 611.5 610.8 - 0.12
25 3.171×103 3.168×103 - 0.12
50 12.35×103 12.34×103 0.12
100 101.4×103 102.2×103 0.82
200 1.557×106 1.645×106 5.4

 気温 25℃での飽和水蒸気圧は概ね 3,170 Pa となる。従って,相対湿度 60 %の大気の水蒸気圧は 1,902 Pa ( 3,170 × 0.6 )と計算され,大気圧が 101,325 Pa の場合は,分圧の法則を適用し,水蒸気の容量%は,約 1.88 Vol%( 100 × 1902 / 101325 )と計算される。この値は,酸素に次いで存在量の大きい分子であることを示す。
 
 空気 1 m3 ( 1000 L )中に含まれる水分量( g )は,水蒸気の容量%,気温 25℃の時のモル体積( 24.465L / mol )と水の分子量( 18 g / mol )とから,約13.8 g( 18 × 0.0188 × 1000 / 24.465 )と計算できる。
 
 【参考】
 ● 水上置換での気体捕集実験の注意点
 実験で気体を水上置換(容器を水に満たし,気体と置換して補修)すると,補修した気体は水蒸気で飽和した気体と考えられる。
 従って,補修した気体の体積から気体の量を求めるときは,その温度での飽和水蒸気量を差し引く必要がある。得られた体積は,大気圧から飽和水蒸気圧を差し引き,気体の分圧を求めて計算しなければならない。

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