水蒸気分圧について

ユラユラさん
ご質問ありがとうございます。

ちょっと解説が長くなります。

まず湿り空気と水蒸気の違いから。

湿り空気とは、
乾燥空気と水蒸気が混ざった空気のことです。
私たちが普段吸っている空気は、ほとんどすべて湿り空気です。
湿り空気の中には、主に次のものが入っています。

窒素
酸素
水蒸気
その他の気体

ここでいう「乾燥空気」とは、水蒸気を除いた窒素や酸素などの混合気体です。
つまり、
湿り空気 ＝ 乾燥空気(窒素、酸素、他) ＋ 水蒸気
と考えます。

一方、水蒸気は、水が気体になったものです。
目には見えません。
湯気として白く見えているものは、厳密には水蒸気そのものではなく、水蒸気が冷えて細かな水滴になったものです。

水蒸気分圧とは
例えば、容器の中に湿り空気が入っているとします。
この湿り空気の圧力が、全体で 100kPa だったとします。
この100kPaは、
窒素や酸素などが押す力
水蒸気が押す力
を合計した圧力です。

イメージとしては、
湿り空気全体の圧力
＝ 乾燥空気の分圧 ＋ 水蒸気の分圧
です。

例えば、
乾燥空気の分圧：98kPa
水蒸気の分圧：2kPa
であれば、
98＋2＝100kPa
になります。

この水蒸気が担当している2kPaが、水蒸気分圧です。

湿り空気が入った部屋を想像してください。
実際には、その部屋の中に、
窒素
酸素
水蒸気
が一緒に混ざっています。
そこで、水蒸気分圧を考えるときは、
「窒素や酸素を全部取り除いて、水蒸気だけを残したらどうなるだろう。ただし、部屋の大きさと温度はそのままとする」
と仮定します。

そのとき、水蒸気だけが部屋の壁を押す圧力が、水蒸気分圧です。
重要なのは、水蒸気だけを小さな空間に集めるのではなく、もとの湿り空気と同じ大きさの空間に、水蒸気だけが広がっていると考えることです。

教室に例えると
教室の中に、
男性20人
女性10人
がいるとします。
合計30人が教室を使っています。
ここで、「女性の人数が教室全体の混雑にどれくらい影響しているか」を考えるために、男性だけを教室から出して、女性10人だけが同じ教室に残った状態を想像します。
教室の広さは変えません。
このときの女性10人による混雑具合が、水蒸気分圧に相当します。
男性による混雑具合が乾燥空気の分圧、全員による混雑具合が湿り空気全体の圧力です。

ただし、空気の場合は、人のように別々の場所を占めるわけではありません。乾燥空気も水蒸気も、どちらも容器全体に均一に広がっています。

「同じ容積を占める」と書く理由
気体は、混ざっていても、それぞれの気体が容器全体に広がっています。

例えば、10m³の部屋の湿り空気に水蒸気が含まれている場合、
乾燥空気も10m³全体に広がっている
水蒸気も10m³全体に広がっている
と考えます。
乾燥空気が8m³、水蒸気が2m³を別々に占めているわけではありません。

したがって、水蒸気だけを取り出したと仮定しても、｢水蒸気は元の湿り空気と同じ容積全体に広がる｣という表現になります。

次のように覚えると分かりやすいです。
水蒸気分圧とは、湿り空気の全圧力のうち、水蒸気が担当している圧力である。
そして、
湿り空気は、乾燥空気と水蒸気の混合気体である。
と整理してください。

水蒸気分圧が高いほど、空気中に水蒸気が多く、湿った空気です。
水蒸気分圧が低いほど、水蒸気が少なく、乾いた空気です。

なお、水蒸気分圧は「水蒸気の量を示す指標」に近いものですが、相対湿度とは別物です。
相対湿度は、現在の水蒸気分圧が、その温度での飽和水蒸気圧に対して何％かを示しています。