二級ボイラー技士試験「ボイラーの構造に関する知識」について解説しています。
本ページでは、熱及び蒸気について問う問題を取り扱います。
熱に関するキーワードについて
エンタルピ・比エンタルピ
エンタルピ Hとは物体の持つエネルギーのことを表します。具体的には物体の分子や原子の運動エネルギー・相互作用エネルギー等（内部エネルギー U）と圧力が物体の体積に対して行う仕事に関連するエネルギー（圧力 Pと体積 Vに関連するエネルギー）の組合せです 。
式で表すとエンタルピ H [kJ/kg] = U + P × V となります。
それじゃあ比がついたエンタルピってなに？
比エンタルピ hは単位質量当たりのエンタルピのことを示します。
式で表すと比エンタルピ h [kJ/kg] = エンタルピ H [kJ] / 質量 m [kg] となります。
ボイラーの水、蒸気に着目すると、これら1kg当たりの全熱量を比エンタルピとも表現できます。
比体積
体積じゃなくて、比体積？
比体積 vは単位質量当たりの体積のことを示します。
式で表すと比体積 v [kJ/kg] = 体積 V [kJ] / 質量 m [kg] となります。
過熱度
過熱蒸気の温度と、同じ圧力の飽和蒸気の温度との差のことです。例えば、100℃で飽和する水蒸気をさらに加熱して、120℃にした場合、この20℃が過熱度です。
式で表すと 過熱度 = 過熱蒸気 – 飽和蒸気 となります。
これは覚えよう！
飽和水の比エンタルピは、圧力が高くなるほど大きくなる。
一般的に、飽和水の比エンタルピは圧力が高くなると大きくなります。これは、圧力が高くなると飽和蒸気の温度が高くなり、蒸気のエンタルピが増加するからです。
圧力が高くなると、ギューってなって、温度が上がり、エンタルピが増加するってイメージかな？よくわからないよ。
式で表すと以下のようになります。
比エンタルピ h = エンタルピ H / 質量 m です。
一方でエンタルピ H = 内部エネルギー U + 圧力 P × 体積 V であるから、
比エンタルピ h = （内部エネルギー U + 圧力 P × 体積 V） / 質量 m となります。
したがって、一般に圧力 P が大きくなると、比エンタルピ h も大きくなります。
とりあえず、比エンタルピと圧力はともに高めあう関係にあるんだね。
※実際はクラウジウス・クラペイロンの式などが登場してとても複雑です。ざっくりイメージしましょう。
飽和蒸気の比体積は、圧力が高くなるほど小さくなる。
蒸気は一般的に圧力が高くなると比体積が小さくなります。PV = P’V’（ボイルの法則）からも圧力と体積は反比例の関係にあり、圧力が高くなると体積が減少します。
なお、比体積 v [kJ/kg] = 体積 V [kJ] / 質量 m [kg]です。つまり圧力が高くなると比体積が減少します。
※こちらも実際は気体の状態方程式やクラウジウス・クラペイロンの式などを用いて導き出されます。非常に難しいのでざっくりとしたイメージまでにしておきましょう。
飽和水の比体積は、圧力が高くなるほど大きくなる。
水の場合は一般的に圧力が高くなると比体積も大きくなります。
さっきの飽和蒸気と逆で大きくなる？！ややこしいね。
水は圧力をかけると沸点が上昇します。（沸点上昇）
沸点上昇より、水の温度は圧力をかけることで高くなるとも言えます。例えば、大気圧（約1気圧）では水は100°Cで沸騰しますが、圧力鍋のように圧力を上げると、沸点が上昇し、120°C以上で沸騰します。
一方で、水の温度が上がると、一般的には熱膨張して体積が増加します。具体的には、水が温度の上昇に伴って分子の運動が激しくなり、分子間の距離が広がるためです。
したがって、圧力を高くすることにより、水の温度が上昇し、体積が大きくなります。
なお、比体積 v [kJ/kg] = 体積 V [kJ] / 質量 m [kg]です。つまり圧力が高くなると比体積も大きくなります。
飽和水の蒸発熱は、圧力が高くなるほど小さくなり、臨界圧力に達するとゼロになる。
蒸発熱（潜熱）は、液体が蒸発するために必要な熱エネルギーのことです。つまり、飽和水の蒸発熱とは、液体が気体に変わるときに必要なエネルギー量を指します。
圧力を高くすることで、この蒸発熱を小さくすることができます。言い換えると、低い熱エネルギーで蒸発させることができます。
蒸発熱はエネルギーとして基本回収できないものだから、小さいほうがいいよね。圧力をかけて、小さくしてしまおう。
なお、飽和水の蒸発熱は臨界圧力に達するとゼロになります。臨界点では、液体と気体の相の区別がなくなります。液体と気体の間には、液体の表面が存在せず、蒸発の概念も意味を持たなくなります。このため、液体が気体に変わるために必要なエネルギー、すなわち蒸発熱は臨界圧力（臨界点での圧力）に達するとゼロになります。
練習問題
問題：熱及び蒸気について、次の記述は正しいか。⭕または❌で答えてください。答えは▶を押してください。
Q：飽和水の比エンタルピは、圧力が高くなるほど大きくなる。
Q：飽和蒸気の比体積は、圧力が高くなるほど大きくなる。
💡解説：圧力が高くなるほど比体積が大きくなるのは、飽和蒸気ではなく飽和水です。
Q：飽和水の蒸発熱は、圧力が高くなるほど小さくなり、臨界圧力に達するとゼロになる。
過去問で修得
令和5年10月 問1
熱及び蒸気について、適切でないものは次のうちどれか。
- 水の温度は、沸騰を開始してから全部の水が蒸気になるまで一定である。
- 過熱蒸気の温度と、同じ圧力の飽和蒸気の温度との差を過熱度という。
- 飽和水の比エンタルピは、圧力が高くなるほど小さくなる。
- 飽和蒸気の比体積は、圧力が高くなるほど小さくなる。
- 飽和水の蒸発熱は、圧力が高くなるほど小さくなり、臨界圧力に達するとゼロになる。
正解 3
令和4年10月 問1
熱及び蒸気について、誤っているものは次のうちどれか。
- 水、蒸気などの1kg当たりの全熱量を比エンタルピという。
- 水の温度は、沸騰を開始してから全部の水が蒸気になるまで一定である。
- 飽和水の比エンタルピは、圧力が高くなるほど大きくなる。
- 飽和蒸気の比体積は、圧力が高くなるほど大きくなる。
- 飽和水の潜熱は、圧力が高くなるほど小さくなり、臨界圧力に達するとゼロになる。
正解 4
令和4年4月 問1
次の文中の（ ）内に入れる（A）及び（B）の語句の組合せとして、正しいものは次のうちどれか。
「飽和水の比エンタルピは飽和水1kgの（A）であり、飽和蒸気の比エンタルピはその飽和水の（A）に（B）を加えた値で、単位はkJ／kgである。｣
| A | B | |
| 1. | 潜熱 | 顕熱 |
| 2. | 潜熱 | 蒸発熱 |
| 3. | 顕熱 | 蒸発熱 |
| 4. | 蒸発熱 | 潜熱 |
| 5. | 蒸発熱 | 顕熱 |
正解 3
令和3年4月 問1
次の文中の（ ）内に入れるAの数値及びBの語句の組合せとして、正しいものはどれか。
「標準大気圧の下で、質量1㎏の水の温度を1K（1℃）だけ高めるために必要な熱量は約（A）kJであるから、水の（B）は約（A）kJ/（㎏･K）である。｣
| A | B | |
| 1. | 2257 | 潜熱 |
| 2. | 420 | 比熱 |
| 3. | 420 | 潜熱 |
| 4. | 4.2 | 比熱 |
| 5. | 4.2 | 顕熱 |
正解 4
平成31年4月 問1
熱及び蒸気について、誤っているものは次のうちどれか。
- 水の温度は、沸騰を開始してから全部の水が蒸気になるまで一定である。
- 乾き飽和蒸気は、乾き度が1の飽和蒸気である。
- 飽和蒸気の比エンタルピは、飽和水の比エンタルピに蒸発熱を加えた値である。
- 飽和蒸気の比体積は、圧力が高くなるほど大きくなる。
- 過熱蒸気の温度と、同じ圧力の飽和蒸気の温度との差を過熱度という。
正解 4