「蒸発」と言う物理現象についての再学習と今後の勉強方針

こんにちは。

2023年末で洗濯物の観察はいったん終了し、これまでのデータの整理に入っています。

2021年まで溜めていたデータが、自宅のNASが2021年年末にクラッシュしたため吹っ飛んでいたことを忘れていました_(:3 」∠)_ゴミデータも含め5年分くらい溜めていたのですが、全部ダメになりました。

やっぱデータの保管はクラウドです。

そのショックでまず何からしたらよいのか分からず途方に暮れていましたが、まずは「蒸発」と言う物理現象についてはっきりさせようと考えました。自分の考えを整理するためにもざっくりまとめます。

「蒸発」と言う物理現象についての再学習

「沸騰」も「蒸発」も水分分子が液体の中から飛び出していく現象ですが、「沸騰」は液体の内部が気体化して分子が飛び出していくことで、「蒸発」は液体表面の水分子が飛んでいくことであり、「沸騰」による気化とは区別されているようです。

私が考えているのは「蒸発」の方ですね。

蒸発が起こるのは水分表面の水分子が外に飛び出していくからなのですが、飛び出していくためには水分子の活動が活発になる必要があります。この水分子の活動を蒸気圧と言うようですが、この圧力が大気中にある気体（水蒸気を含む）の圧力より強ければ飛び出していきます。これが「蒸発」です。

「洗濯物が乾く」とは？

水分子が活発になるためにはエネルギーが必要です。洗濯物が乾くと言う現象を考えるとき、洗濯物の表面にある水分子がどこから飛び出すエネルギーを得るかと言うと洗濯物です。洗濯物が何らかの影響で熱を持つと、そのエネルギーを奪って水分子が活動的になり外に飛び出していきます。

気温が高いと乾きやすい理由がここにあります。また、色の濃い洗濯物が早く乾く理由もここにあります。晴れている日や夏の暑い日に乾きやすいのも、乾燥機などにかけると乾くのも、冬場の空調されている部屋では良く乾くのも、洗濯物が温まって、そのエネルギーを水分子が奪うことで活動的になり外に飛び出していくからですね。

また、大気は水蒸気を持つことが出来ますがその量は温度に依存し、高温ほどたくさんの水蒸気を含むことが出来ます。大気中に、それが持てるだけの水蒸気を満タンの状態で持っていることを飽和と言いますが、例えば密閉された空間に水がある時、水表面から水分子が飛び出しますが、大気からも水蒸気は水に飛び込んでいきます。大気が飽和すると大気から水に飛び込む分子と、表面から飛び出していく分子が同じになり気液平衡の状態になります。これでは水表面の水分子が増えることも減ることもなく、いわゆる「乾かない」と言う状態になってしまいます。

空気中の湿度が高いと乾きにくいという理由はここにあります。洗濯物表面から水分子が外に飛び出しても空気中からも水分子が入ってきてしまうんですね。空気が乾燥している状態（つまり空気が持っている水蒸気量が少ない。いわゆる湿度が低い状態）では洗濯物表面から水分子がドンドン飛び出して、入ってくる分子は少ないので洗濯物は乾きやすいです。

その時、洗濯物周辺の空気が滞留しているとあっという間に気液平衡の状態になってしまいますから、常に水蒸気量の少ない空気が必要です。

風が吹いていると洗濯物が乾きやすい理由はここにあります。常に新しい水蒸気量の少ない空気と入れ替わって、洗濯物表面の水分子が飛び出しやすい環境が必要です。

まとめると、洗濯物が良く乾く条件としては以下の３つです。経験的に多くの方がご存じと思われます。

• 水分子が活動的になるために周囲からエネルギーをもらう必要がある。つまり洗濯物本体の温度が高くなる必要がある。
  ※気温が高いと乾きやすい理由

• 洗濯物表面の水分の蒸気圧が、空気中の水蒸気wつより高ければ分子が飛び出しやすい。
  ※湿度が低いほど乾きやすい理由

• 周辺の空気が入れ替わり、常に気液平衡ではない状態を作る。
  ※風が適度にある方が乾きやすい理由

「洗濯物が乾く」と言う現象はこれら３つの条件が非常に複雑に絡み合い起こっています。

洗濯物が乾きやすい条件を調べるためには？

ChatGPTの力も借りながらこれらの条件を数式化出来ないものかと調べましたが、洗濯物が乾く環境は温度依存だけではないため非常に複雑で難しいようです。

温度依存だけなら蒸発熱は、物質変化の反応速度を表現したArrhenius方程式と言うのがあり、数学的にはこの式で近似されることがあるようですが、定数は実験的に求める必要があり、また実際には湿度も大きく関係していて、湿度は温度によって飽和量が異なるため、これを単一の数式で表現するのは現状私の知識では無理そうです_(:3 」∠)_

温度、湿度、エネルギー、変化量を単一の数式として表現出来たら、特定の気温、湿度の時、どれだけ日射量があればどれくらいの時間で乾くのかが分かるかなと思ったのです。

でも実際は日射量も気温もドンドン変化するので、環境の方の変化スピードなども加味しないといけないことになる気がします(´・ω・｀)

難しすぎる…(:3 」∠)

これまでのデータを利用するために必要な考え方

しかし、これまでの観察で特定の「点」での変化の記録が残っています。今は数式化できずとも記録から何か傾向だけでもつかめたらと考えています。

統計で何か問題を解決する場合、「真の問い」と言う、「何を調べたいのか」を具体的にする必要があります。今とりあえず、経験的に分かっている「気温が高く湿度が低い、かつ風がある日は洗濯物が良く乾く」と言うことが、科学的に正しいと言う事は分かったので、今度は「気温が高いとは何度以上のことなのか」、「湿度が低いとは相対湿度何％のことなのか」を明確にし、環境がそうなるための速さを季節ごとに確認すればいいのかなと。

日々の気温ごとに見ても、1日のうちで気温やそれに伴う湿度は変化しますから、ざっくりした気温帯が異なる季節単位で変化の速さをまずは調べてみようかな。

以上、ひとまずざっくりまとめとご報告でした。
また何かまとまり次第記事にしたいと思います。