日別アーカイブ: 2012年8月9日

風とは何かー水と温度ー

渦巻の解剖に取り組んで、その基本が風のような流体の圧力分布差にある事に気付く。暫く水についてその温度特性から考えて、風の原因を探りたい。(2012/11/06) 未だ渦巻の解説をするだけの結論には到達していない。

(2012/09/24)  飽和水蒸気圧と式の修正提案。で算定式を改善して提案した。この記事で述べた「飽和水蒸気圧、蒸気密度の温度特性」の算定式(1)、(2)および(4)式は(6)、(8)および(7)式として修正提案しました。

(2012/09/21)  風の起因・原因 を追記。水蒸気の大気中の振る舞いに起因・原因を求めた。

(2012/08/21)  水蒸気温度特性 をグラフで追記。(2012/09/06) グラフの意味の観方の注意点を付記した。

(2012/08/17)  蒸気(p-V) 線図への疑問 を追記した。

「入道雲」は夏の風物だ。しかし、その穏やかで、形状の独特な滑稽さに富んだ景観も余り目立たなくなってしまったようだ。真夏の澄み切った青空を背景に、深い森林の山の上に、モクモクと立ち昇る真っ白い雲。「入道雲」その呼び名もなかなか風情がある。入道とは仏教用語の坊主頭の化物という程度の意味のようだ。如何にも滑稽さを言い表していると感心する。その「入道雲」は森の放出する水蒸気が故の上昇気流という風の生み出す現象である。夜間には出来ない。暑い夏の日中に、強い太陽光で森の水滴が水蒸気となって膨張する為に生じ、上空の冷気に触れてその水蒸気が凝縮して水滴となる。その水滴の集合状態が「入道雲」というものであろう。水p-V線図『風』はその生み出す原因が水と温度にあると解釈しなければならないだろう。『水』その不思議が生み出す現象だ。

水の蒸気線図 その水の特性の特徴は蒸気線図に表される。火力発電や原子力発電の水ー蒸気サイクルの特性図である。風の基の気体は空気である。空気の中味を考えれば、酸素、窒素あるいは炭酸ガス等であるが、忘れてならない物に「水蒸気」という隠れた水の存在である。水分は、空気中の含有率を湿度という計量値で評価される。その水は他の気体とは異なる点で、特別の働きをする分子と考えたい。分子構造は H2O であるが、その分子結合の解釈で、気体膨脹特性を考えても、特別の温度特性を呈する様で、いろいろの事柄が頭の中で絡み合い、断定的な結論に到達できない。そんな事から、水を含めた気体の温度特性を考える時、『分子運動論』が物理学理論の温度特性の根幹として解釈されているが、それは余り当てに成らない理論と考える。普通の分子ならほぼ理想気体に近い特性で考えて良かろう。しかし、水や水蒸気を含んだ気体については、とんでもない温度特性を現わすと考えるべきであろう。その意味で、上に挙げた蒸気線図が、その事を考える基本に必要と思って示した。蒸気線図と風の関係は余り考えられていないと思う。

ボイル・シャルルの法則 理想気体は、その圧力 p 体積 V および温度 t の間には、ボイル・シャルルの法則が成り立つ。その特性は、一定温度で加熱する時の p と V の間には反比例の特性で変化する。この特性と上の水蒸気の特性を比べれば、その違いが分かる。この特性の違いが、空気中の「湿度」という水蒸気の温度特性が如何にも「入道」的な化け物特性を現わすと考える。その化け方が『風』の隠れた基にあると解釈する。(図の温度について、絶対温度T とt の関係を訂正)。

火力発電所系統図と蒸気線図 理科や物理学の教育では、子供たちの日常生活に関わる具体的な事象と相当かけ離れた「教科内容」が取り上げられ、子供たちの興味を得ると言う点で「不合格な内容」が多いと言わなければならない。余りにも、古臭い内容の決まり切った物に固執している。出来るだけ私自身が、疑問に思う内容で、日常目にする自然現象を技術の面を踏まえて考えてみたい。発電所と蒸気線図そこで、火力発電所の系統の設備と利用する『蒸気線図』との関係を参考に示しておきましょう。簡単に説明すると、発電所の設備のそれぞれに対応した蒸気のボイラー加熱と、タービンでの断熱膨張(蒸気による機械的仕事)、更に復水器での海水による蒸気冷却等の各過程での蒸気線図に対応する部分を色分けして、表現してみた。矢印の方向に蒸気の過程・状態が変化する。この線図はある水の部分が蒸気線図でどのような過程を辿るかを示したものである。実際には、タービンを回す蒸気は連続的に流れ続けているのである。このような水の温度特性は『風』の水蒸気とは直接何の関係もない。しかし、海の温度上昇で、空気中に含まれる水蒸気が増加すると、冷却時における、その水の特徴が過熱と逆の効果で、気体の体積変化に特別の状況を生み出す。それが蒸気線図の『復水器』での蒸気冷却現象と同じ事を引き起すのである。その局部的冷却現象は、強い『風』を生みだす原因なのである。ここで、一つ気掛かりな点がある。復水器での冷却時の蒸気の変換過程で、6から1の圧力pが一定であるとなっているが、その点は本当かな?と疑問符付きである。圧力一定と言う制御は無いから。しかし、法則や解析は必ずしも正確な物でないと考えれば、大よそ我慢できる技術論と看做せよう。

気体の飽和蒸気圧 空気中の気体で『風』の原因の基に成るのが水蒸気であろう。気温は、摂氏マイナス数十度から、ほぼプラス50度程度の範囲にあろう。その温度範囲で、状態変化が激しい気体・物質が水であり、水蒸気である。水の飽和蒸気圧は検索して調べると、指数関数式で温度対飽和蒸気圧の関係が示されている。生活温度範囲で、激変する水を考えると、分子気体論の基礎定数である「アボガドロ定数」の概念を改めて考え直さなければならないと思った。そこで、 アボガドロ定数とは何か でその定数への疑念を述べた。そんな気体論の原理的基礎概念さえ、余りにも古典的で、時代遅れの内容と原理原則論の曖昧さと矛盾と思うが故に、子供への教育内容としての不適切性を指摘し、早急な正常化の必要性を指摘したかった。さて、水蒸気も空気中の分子である。その飽和蒸気圧を検索される式から算定すると、トリチェリの真空と水蒸気圧との関係で考えなければならない点が浮かんだ。数日間蒸気について考える内に益々理解出来なくなった。そこで次の記事になる。

蒸気 (p-V) 線図への疑問  上に示した火力発電所の蒸気(p-V)線図の意味が理解出来なくなった。ボイラーでの水蒸気加熱過程(2および3から4および5の過程)で、蒸気線図は圧力pが一定で体積膨張する表現の図である。確かに、給水ポンプで加圧してからタービン入り口までの蒸気系統内の圧力は一定であるように思える。その圧力からタービンの出口までの圧力の開放で蒸気の体積断熱膨張が仕事をする訳である。こんな解釈で、何となく理解出来たと思って、『火力発電所』の蒸気の働きを工業高等学校で教えていた。しかし、先日から蒸気の気持ちに成ろうと思いを深めている内に、どうも間違っていたようだ。蒸気線図の3から4までの圧力一定の加熱過程が何を表現しているかと考えてみた。水と蒸気との割合を湿り度、乾き度と言う表現で横線の寸法で蒸気の飽和するまでを言い表していると捉えて、納得していた。その状況は一体何を表現しているかと改めて考えると、意味が無い事に思える。即ち、ボイラーの中で水が加熱されて、一定圧力のもとで、体積が膨張するとは「何の体積」が膨張すると言うのだろう。一定圧力で、ボイラ内の閉鎖された限定空間内で何処に膨張する空間の余地があるのだろうかと疑問を抱かざるを得ない。膨張するのはタービン内での仕事の為であるだろうと思う。だから、蒸気の変換過程をどう解釈するかと言えば、水の分子が熱エネルギーによって膨張しようと水蒸気化する、しかし限定空間内で高温・高圧水蒸気となり、体積膨張なしに高エネルギー密度蒸気としてタービンでの仕事の断熱膨張に資する。ー高密度エネルギー水蒸気とは、ボイル・シャルルの法則で、pV[J] の水蒸気一粒のエネルギー量と解釈する。その体積Vが膨張できずに、分子圧力pの増加となる。それは、pV=kT [J] (k[J/°k]はボルツマン定数。T[°k]は絶対温度)と言う式が有名であるが、これは水分子一粒のエネルギー表現であるので参考に付記ーそんなところに考えが落ち着いた。だから、蒸気線図は水の分子一粒の状態変換過程を考える線図でもないと思う。では何を表現しているかと考えた時、線図で意味する内容が良く理解できないのである。以上が蒸気線図への疑問と自分なりの解釈である。これを『問答』の一つの例として挙げたい。

水蒸気圧・水蒸気密度の温度特性 上の蒸気線図への疑問から、水蒸気の温度特性を調べた。IT検索で水蒸気に関する計算式の存在を知る。水蒸気温度特性少し計算して、水蒸気圧の計算式が誤差も無い結果になると安心した。しかし、水蒸気密度だけは計算結果に大き過ぎる誤差のある事を確認した。更に、上の水蒸気温度特性の示すグラフ値は飽和水蒸気圧線であり、

飽和蒸気圧線の図の意味 その曲線が水と水蒸気の状態の境界線である。その事を改めて示すと、右の図で示す通り、青色の液相(水)から突然気相(水蒸気)に変換すると解釈できる。しかし、この図を眺めると、その表現する内容が誤解される点が有る。解釈上の注意点。グラフの飽和蒸気圧線の左側の青色の領域ー液相(水)-については、圧力も密度も数値的な意味を持っていないのである。意味を示すのは赤色の水蒸気に対してのみである点を御理解頂きたい。この特性表現には誤解し易い点が有り、不適切なグラフと思う。青色の水の領域の密度はその全体で、殆ど圧力に関わらずほぼ一定の 1 [ton/㎥] と解釈して良かろう。以上水蒸気温度特性の解釈上の注意点です(2012/09/06 に気付いた不明をお詫びし、付記しました)。このグラフ表現での注意点が、グラフ表現と基準ー時と位置ー

で指摘した事の問題でもあった。各温度での液相、気相転換における蒸気化熱エネルギー(気化熱)の値が異なると思はれるが、その点は不明である。飽和蒸気圧線の意味を少し説明した。また、水蒸気特性計算式上のグラフの計算式の意味を纏めたので示す。普通は水蒸気圧と言えば、0℃、標準大気圧を基に、大気圧下での沸騰点がほぼその考察領域であろう。だから、臨界圧等と言う日常の経験からかけ離れた水蒸気などは考慮されなかったのであろう。「カルノーサイクル」と言う蒸気機関の利用水蒸気領域に考えを及ぼせば、臨界点の観点に考えが及ぶと思うが、その事が考慮されなかった事をむしろ「何故」かと問う事が大切かも知れない。以上で、水の熱特性から考え直して、ようやく『風』の意味に水蒸気からの解釈が出来るかと言う自分なりの基礎の論点に辿り着いたように思う。

風の起因・原因 当たり前の事であるが、風は大気の圧力分布差が発生原因である。しかし大気の圧力分布の原因が何であるかを正しく認識しているかと自分に問わざるを得ない。地球を含め太陽系全体のエネルギー分布環境が影響していると言えよう。地球上の大気に視点を絞れば、その大気の圧力差を生む原因を「水蒸気・気温」の分布に求めて良かろう。大気の構成分子は窒素、酸素あるいは炭酸ガスから成っているが、水・水蒸気の温度特性が極めて大きく関わっていると考える。水蒸気の空気中の温度特性における特異性が大気圧力の分布差を生みだすと解釈する。水蒸気だけが気温に対してその体積膨張の特異性が甚だしい。水の温度が高く、気温が高ければ水蒸気の大気含有率も高くなる。その大気が上空の冷気に触れた時、忽ち水蒸気の気体分子が水滴になり、その大気の急激な体積収縮を引き起す。上空の圧力低下により、急激な上昇気流を引き起す。周辺から大気の巻き込みに発展する。大気圧の分布差を解消するための大気流が生まれる。風の起因・原因は水蒸気にある。水分子について、大気中における「アボガドロ定数」の物理的理論は成り立たないと解釈する。そこで、前もってアボガドロ定数とは何かで疑問を述べた。