水の沸点は必ずしも100度ではありません。人間の体液も沸騰することがあります。信じますか？

水の凝固点は0℃、沸点は100℃です。水には固体、液体、気体の3つの状態があります。つまり、水は0℃以下では固体、0℃～100℃では液体、100℃以上では気体になります。

これは水に関する単なる常識です。

これらは、初期の人々に知られていた唯一の 3 つの物質状態でもありました。しかし、これは特定の条件下での水の状態にすぎません。この特定の条件は大気圧環境です。この環境から離れると、水の相変化温度は同じではなくなります。

現在、物質には 7 つの状態があることが知られています。つまり、気体、液体、固体の 3 つの状態に加えて、プラズマ状態、ボーズ・アインシュタイン凝縮状態、フェルミオン凝縮状態、電子縮退状態、中性子縮退状態の 4 つの状態があります。これらの物理的状態はこの記事の主題ではないので、ここでは詳細には触れません。

それでは、水の3つの状態の相転移条件についてお話ししましょう。異なる気圧環境下では相転移温度も変化し、上記の常識はもはや常識ではなくなります。水は 1 気圧下では 0℃ 以下でのみ凍結して固体になります。 0℃以上でのみ液体になります。 100℃でのみ水蒸気に蒸発します。

大気圧環境から外れると相転移温度が変化します。

1990 年 1 月 1 日には、国際度量衡委員会が新しく改訂された国際温度目盛りの採用を推進し、熱力学温度目盛り (ケルビン目盛り、記号 K) が国際統一温度目盛りであり、摂氏温度目盛りは熱力学温度目盛り 0 K=-273.15℃ と一致する必要があり、以前の摂氏温度目盛りとは若干の相違点があることを規定しました。

厳密に言えば、新しい温度スケールによれば、1標準気圧における水の沸点は正確に99.974℃です。もちろん、日常生活では 100℃ とのこのわずかな差は無視できます。では、1標準気圧とは何でしょうか?これは 101325Pa（パスカル）であり、101.325kPa（キロパスカル）または 1013.25hPa（ヘクトパスカル）と呼ばれることもあります。

日常生活では、1 気圧の圧力を 1 キログラムの圧力などと呼ぶことがよくあります。

気圧が変化すると、水の沸点も変化する

水の沸点は気圧条件によって変わります。一般的には、気圧が高いほど沸点が高くなり、気圧が低いほど沸点が低くなるという論理に従います。なぜそれが一般的に真実だと言えるのですか?これは、空気圧が極端に高い状態または極端に低い状態に達すると、水の相変化が直線的に変化せず、超臨界状態に達するためです。

私たちの日常生活では、沸点を上げるために高圧を利用することがよくあります。例えば、圧力鍋で骨を煮込む場合、鍋を密閉することで鍋内の圧力が継続的に高まり、水の沸点が上昇して骨をより簡単に、より早く煮込むことができます。

家庭用圧力鍋は、一般的に最大2キログラムの圧力、つまり2気圧、つまり101325Pa*2=202625Paに耐えることができます。このような圧力下では、水の沸点は 134°C に達することがあります。家庭の安全を確保するために、圧力鍋は通常、使用時に 1 気圧以下に保たれます。鍋内の圧力が 1 気圧に達すると、水の沸点は約 120°C になります。一般的な家庭用圧力鍋は0.5～0.8気圧で使用され、水の沸点は112～117℃程度です。

工業用ボイラーは一般に 4 ～ 8 キログラムの圧力に達し、水の沸点は 150 ～ 170 度に達します。ガス漏れは人を傷つける恐れがあるため、ボイラーの安全性には細心の注意を払う必要があります。

ここで指摘しておくべきことは、水が沸騰する理由は熱膨張と収縮の原理に基づいているということです。水が沸騰すると、やかんの底に小さな泡がいくつか現れますが、これを気化核と呼びます。気化した原子核は加熱されると上昇し続け、沸騰現象が発生します。ケトルの底が加熱されていない状況では、水は比較的きれいであり、水中に蒸気核が生成されることは困難です。加熱の過程で水温は上昇し続けますが、100℃を超えても沸騰しません。

水を電子レンジで加熱すると、気化核がないので沸騰せずに沸点を超えやすくなります。このような水を過熱水（液体）と呼びます。この過熱水に小さな粒子を加えたり、ランダムにかき混ぜたりすると、突然気化核が生成され、瞬間沸騰現象が発生します。したがって、電子レンジで過熱水を加熱した直後は、人身事故を避けるために、使用する前にしばらく放置するようにしてください。

超高圧下での水の相転移

水を沸騰させる容器に繰り返し圧力をかけると、圧力が増加するにつれて水温は直線的に上昇し、沸点も直線的に上昇し続けるのでしょうか？答えはノーです。これは先ほど述べた異常な状況です。

圧力が何度も増加して臨界点に達すると、この圧力状態では水はもはや沸騰しなくなります。圧力が一定レベルまで上昇すると、水は沸騰しないだけでなく、固体にもなります。これは圧力下での水の相変化です。

重要な点は、圧力が約 225 気圧に上昇すると、水の沸点が 374.3°C に達することです。さらに気圧が上昇すると水温は上がらず、沸騰しなくなります。これは、このとき飽和蒸気と飽和水の比重が同じであり、2つの状態の間に違いがないためです。この水は超臨界水と呼ばれます。

圧力が 10,000 ～ 100,000 気圧を超えると、つまり 1 平方メートルの水面上に 1,000 万～ 1 億トンの圧力がかかると、水は液体ではなく固体になります。しかし、この固体状態はもはや私たちが目にする一般的な「氷」ではなく、より高密度の特殊な氷です。

圧力が上昇して 1000 万気圧に達すると、水は金属状態に変わります。圧力がさらに高くなり、4億5000万気圧に達すると、あらゆる物質の分子構造が破壊され、水を含む原子が平らになり、白色矮星のような電子縮退物質になります。圧力が10^28気圧、つまり1兆兆気圧に達すると、水を含むあらゆる物質は中性子星のような中性子縮退物質になります。

もちろん、地球の条件下ではこれらを達成するのは不可能ですが、科学者はすでに実験室でレーザー照射を使用して、微視的レベルで地球の中心核と同等の大気圧、つまり300万～400万気圧を達成しています。天然氷のほか、18種類の氷が採取できる。これらはすべて水の相変化形態です。したがって、水には21種類もの形態があると言えます。

さて、以上が圧力が増加し続けると水がどうなるか、特に水の沸点の変化についての説明です。次に、減圧下における水の沸点の変化についてお話しします。

圧力が下がると、水の沸点はどんどん低くなります。

気圧が低下すると水の沸点は低下しますが、必ずしもこの直線関係を示すわけではありません。閾値に達すると、変化は突然停止します。しかし、この臨界点は温度によって制限されます。今日はこれについては触れません。

航空医学にはアームストロング限界というものがあり、これは地表から約18,900～193,500メートルの高度で大気圧が6.3kPa（標準大気圧の約0.062倍）まで下がると水の沸点が37℃となり、人間の体温とほぼ等しくなるというものです。したがって、この高度は人間が立ち入ることができない高度であり、この高度で保護がなければ、人間の体液は沸騰してしまいます。

体液が沸騰するとどんな感じがしますか?体内の水分がすべて沸騰し、涙、鼻水、唾液、汗、血液、尿なども沸騰し、ガスはさらに膨張します。そのため、専門家は、そのような環境では息を止めないように警告しています。さもないと、肺胞が破裂する恐れがあります。

この状態では、まず人体内のすべてのガスが急速に放出されます。昏睡状態に陥っていない場合は、上下の排気口からガスが噴出する音が聞こえ、その音は通常のおならの音よりはるかに大きい。涙、鼻水、汗、皮膚の水分がすぐに昇華します。血と尿が沸騰すると、人の全身が破裂して死んでしまいます。

幸いなことに、血液などのほとんどの体液は人体の組織腔に包まれて圧力がかかっているため、突然沸騰することはありません。しかし、体表面や結膜などの疎性結合組織内の体液は急速に沸騰し、目が腫れたり、鼻や口から出血したり、皮膚から血が噴き出したりする恐ろしい状態を引き起こします。体液の滲出により、体も急速に腫れ上がります。

人々がこの環境からできるだけ早く脱出できなければ、すぐに死んでしまい、すぐに脱水症状でミイラになってしまうでしょう。

気圧が低いほど、この現象は深刻になります。したがって、宇宙飛行士が宇宙で任務を遂行中に圧力保護装置から切り離され、真空環境にさらされると、まず窒息死するのではなく、体液が沸騰して破裂することで死亡することになります。

真空暴露の歴史的事例

人間の高高度スカイダイビングの最高記録は39,000メートルです。この記録は、オーストリアのエクストリームアスリート、フェリックス・バウムガルトナーによって2012年10月15日に樹立され、現在まで維持されています。彼の前の記録は、1960年に高度31,300メートルのヘリウム気球から飛び降りたアメリカ人将校ジョー・キッティンガーによって樹立された。

彼らのパラシュート降下高度はアームストロングの限界よりはるかに高かったので、保護がなければ彼らは確実に死んでいたでしょう。低気圧による体液の沸騰や酸素不足に対処するため、彼らはジャンプ前に宇宙服に似た耐圧酸素供給スーツを着用した。二人のジャンプは両方とも成功したが、キッティンガーのジャンプは失敗し、危うく命を落とすところだった。

その理由は、キッティンジャー氏が落下した際に、圧力服の右手袋の密閉性が失われ、一瞬にして真空に近い環境にさらされたためである。キッティンガーさんは右手に鋭い痛みを感じ、すぐに通常の2倍の大きさに腫れ上がった。幸運なことに、腫れた手が圧力服の空気漏れを塞いだ。彼は音速に近い速度で自由落下し、すぐに対流圏に到達した。徐々に気圧が高まり、パラシュートが開き、すぐに無事着陸しました。すぐに、腫れていた手は元に戻りました。

1965年、NASAの宇宙センターで真空チャンバー実験中に、サブジェクトという名の被験者の宇宙服が突然漏れ、全身が極端に低い気圧にさらされました。わずか14秒で被験者は意識を失いました。異常を発見した後、スタッフはすぐに真空チャンバーを膨らませ、気圧が海抜5,000メートルのレベルに達したとき、被験者は意識を取り戻しました。彼が最後に覚えているのは、舌の上の唾液が沸騰していたことだと彼は言った。

これらはいずれも大した影響を及ぼさない事故だったが、取り返しのつかない悲劇を招いたのは、1971年6月30日に起きた宇宙での事故だった。この日、任務を終えた旧ソ連の宇宙飛行士3名が、ソユーズ11号の帰還カプセルに乗って大気圏に突入した。彼らは、自分たちを待ち受けているのが即死だとは知らなかった。

3人の宇宙飛行士は、司令官のゲオルギー・ドブロヴォルスキー、実験技師のヴィクトル・パチャエフ、飛行技師のウラジスラフ・ヴォルコフでした。

３人はサリュート宇宙ステーションに２３日と１８時間以上滞在し、一連の観測や実験の任務を終えてサリュートを離れ、６月２９日午後９時に帰還した。しかし帰還カプセルでは３人とも宇宙服を着用していなかった。彼らは軌道上を4時間以上飛行し、軌道モジュールを離れる機会を待つ間、地上と通信を続けた。

6月30日午前1時35分、宇宙船はプログラム通りブレーキロケットを起動し、軌道を下げて大気圏に再突入した。このとき、帰還カプセルと軌道カプセルを分離する手順に従う必要があります。問題はここにあります。分離過程の爆薬ボルトは次々に爆発するはずだったが、同時に爆発し、帰還カプセルの通気弁が揺さぶられて開いた。

この時点で帰還カプセルは高度168キロメートルにあり、客室内の圧力が低下し始めていた。わずか数秒で、機内の気圧は致命的なレベルまで低下しました。彼らはこの致命的な問題を発見したが、空気弁はパチャエフの座席の下にあった。彼はすぐにシートベルトを外し、真空管を塞ごうとした。残りの二人は、スペースが狭すぎるため、手伝いに寄ることはできず、見ているだけだった。そのため、30 秒以内に抜け穴を塞ぐ方法がありませんでした。

40秒後、帰還カプセルの生物学的センサー装置は、たった40秒で、生きていたこれらの生命体に生命の兆候がなくなったことを示しました。 212秒後、機内の気圧はゼロに低下した。

帰還手順は自動で実行され、パラシュートは予定通り開き、帰還カプセルは無事に着陸したが、送り返されたのは宇宙飛行士3人の遺体だった。死因は減圧による体液の沸騰だった。今回得られた教訓は、機械の故障だけではなく、宇宙飛行士が宇宙服を着用せずに帰還したため、減圧と完全な露出後に保護が受けられなかったことだ。

当時の帰還カプセルは小さすぎ、宇宙服は大きすぎたため、旧ソ連宇宙局は帰還前に宇宙飛行士は宇宙服を脱がなければならないという規則を設けていた。この事故により、航空宇宙担当将軍が解任・調査され、いくつかの制度や規則が変更された。それ以来、宇宙飛行士は上昇中および帰還中に宇宙服を着用しなければならないことが世界中で厳しく規定されました。

これらの話は、低圧環境にさらされると非常に危険になる可能性があることを示しています。また、さまざまな環境における水の性質と形態についても説明します。沸点は気圧環境によって変化します。議論へようこそ。読んでいただきありがとうございます。

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