蒸気表の読み方とは？飽和蒸気・乾き度・比エンタルピーを例題で解説

蒸気を使うエネルギー収支では、「0.5 MPaの蒸気の比エンタルピーはいくらか」「湿り蒸気の乾き度から熱量をどう求めるか」といった計算が必要になります。このときに使うのが蒸気表です。

蒸気表は数字が多く、最初はどの表・どの列を見ればよいか迷います。しかし、先に水の状態を判定し、必要な物性値の記号を決めれば、読み方は整理できます。

この記事では、飽和水・湿り蒸気・乾き飽和蒸気・過熱蒸気の違いから、飽和蒸気表と過熱蒸気表の選び方、乾き度と比エンタルピーの計算までを例題で解説します。

蒸気表を読む前に、エンタルピーとは？内部エネルギー・熱・仕事との違いと、顕熱・潜熱とは？違いと必要熱量の計算を確認しておくと理解しやすくなります。

蒸気表とは

蒸気表とは、水と水蒸気の熱力学的な物性値を、温度や圧力ごとに整理した表です。主に次の値が掲載されています。

物性値	記号	代表的な単位	主な用途
温度	\(T\)	\(\mathrm{^\circ C}\)、\(\mathrm{K}\)	状態の指定、飽和条件の確認
圧力	\(p\)	\(\mathrm{kPa}\)、\(\mathrm{MPa}\)	状態の指定、飽和温度の確認
比体積	\(v\)	\(\mathrm{m^3/kg}\)	体積流量、密度の計算
比内部エネルギー	\(u\)	\(\mathrm{kJ/kg}\)	閉じた系のエネルギー収支
比エンタルピー	\(h\)	\(\mathrm{kJ/kg}\)	流動系の熱収支、蒸気使用量
比エントロピー	\(s\)	\(\mathrm{kJ/(kg\,K)}\)	タービン、圧縮、効率の計算

水蒸気は、特に飽和線の近くで理想気体からのずれや相変化の影響が大きくなります。そのため、理想気体の状態方程式 \(PV=nRT\)だけではなく、IAPWSの状態式に基づく蒸気表を使います。

この記事の例題では、NISTIR 5078に掲載されたIAPWS-95に基づく表の数値を使用します。蒸気表によって丸め方や記号が少し異なる場合がありますが、読み方の原理は共通です。

最初に水の状態を見分ける

蒸気表を選ぶ前に、与えられた温度と圧力を飽和条件と比べます。圧力 \(p\) における飽和温度を \(T_{\mathrm{sat}}(p)\) とすると、

温度と飽和温度の関係	状態	使う表
\(T<T_{\mathrm{sat}}\)	圧縮水・過冷却水	圧縮水表
\(T=T_{\mathrm{sat}}\)	飽和状態	飽和蒸気表
\(T>T_{\mathrm{sat}}\)	過熱蒸気	過熱蒸気表

同様に、温度 \(T\) が与えられたときは、その温度の飽和圧力 \(p_{\mathrm{sat}}(T)\) と比較します。

• \(p>p_{\mathrm{sat}}\)：圧縮水・過冷却水
• \(p=p_{\mathrm{sat}}\)：飽和状態
• \(p<p_{\mathrm{sat}}\)：過熱蒸気

水の蒸気圧と沸点の関係は、蒸気圧とは？飽和蒸気圧・沸点で詳しく解説しています。

図解｜温度と飽和温度を比べて、使う蒸気表を選ぶ

水と蒸気の状態を表す言葉

飽和水

飽和水とは、沸騰を始める直前の液体の水です。蒸気表では saturated liquid と呼ばれ、添字 \(f\) または \(L\) で表されます。

湿り蒸気

湿り蒸気とは、飽和水と飽和蒸気が共存している二相状態です。見かけ上は「蒸気」と呼ばれていても、内部には液滴が含まれます。液体と蒸気の質量割合を表すために乾き度を使います。

乾き飽和蒸気

乾き飽和蒸気とは、飽和水がすべて蒸発し終えた直後の蒸気です。添字 \(g\) または \(V\) で表されます。液滴を含まない飽和蒸気で、乾き度は1です。

過熱蒸気

過熱蒸気とは、同じ圧力の飽和温度より高い温度に加熱された蒸気です。圧力と温度を使って過熱蒸気表から物性値を読みます。

圧縮水・過冷却水

圧縮水とは、与えられた圧力で飽和温度より低い液体です。過冷却水とも呼ばれます。圧縮水表がない場合、圧力の影響が小さい範囲では同じ温度の飽和水の物性値で近似することがありますが、高圧・高精度計算では圧縮水表を使います。

飽和蒸気表の記号を読む

日本語の蒸気表では、飽和液を \(f\)、飽和蒸気を \(g\)、その差を \(fg\) で表すことがよくあります。

\[
\boxed{y_{fg}=y_g-y_f}
\]

ここで \(y\) は、\(v\)、\(u\)、\(h\)、\(s\) などの比物性値です。

記号	意味
\(v_f\)	飽和水の比体積
\(v_g\)	乾き飽和蒸気の比体積
\(h_f\)	飽和水の比エンタルピー
\(h_g\)	乾き飽和蒸気の比エンタルピー
\(h_{fg}=h_g-h_f\)	蒸発潜熱に対応する比エンタルピー差
\(s_f,\ s_g,\ s_{fg}\)	飽和水、飽和蒸気、その差の比エントロピー

NISTの表では液体を \(L\)、蒸気を \(V\)、差を \(\Delta h\) のように表しています。記号が違っても、列見出しの liquid、vapor、difference を確認すれば対応できます。

温度基準と圧力基準の飽和蒸気表

飽和蒸気表には、主に2種類あります。

• 温度基準の表：左端の温度から、飽和圧力と物性値を読む
• 圧力基準の表：左端の圧力から、飽和温度と物性値を読む

温度が与えられている問題では温度基準、圧力が与えられている問題では圧力基準の表を使うと速く読めます。両者は並べ方が違うだけで、同じ飽和線上の物性値を掲載しています。

例題1：100 ℃の飽和水と飽和蒸気を読む

NISTIR 5078の温度基準の飽和表から、100 ℃の水の飽和圧力、飽和水と乾き飽和蒸気の比エンタルピー、蒸発潜熱を読みます。

100 ℃の行には、次の値が掲載されています。

物性値	読み取った値
飽和圧力 \(p_{\mathrm{sat}}\)	\(0.10142\ \mathrm{MPa}\)
飽和水の比エンタルピー \(h_f\)	\(419.17\ \mathrm{kJ/kg}\)
乾き飽和蒸気の比エンタルピー \(h_g\)	\(2675.6\ \mathrm{kJ/kg}\)
蒸発に伴う差 \(h_{fg}\)	\(2256.4\ \mathrm{kJ/kg}\)

表の丸めにより最後の桁でわずかな差が出る場合がありますが、

\[
h_{fg}=h_g-h_f
\]

の関係があります。

\[
2675.6-419.17=2256.43\ \mathrm{kJ/kg}
\]

表の掲載値 \(2256.4\ \mathrm{kJ/kg}\) と丸めの範囲で一致します。

乾き度とは

湿り蒸気中の全質量に対する蒸気の質量割合を乾き度 \(x\) と呼びます。

\[
\boxed{x=\frac{m_g}{m_f+m_g}}
\]

ここで、\(m_g\) は蒸気の質量、\(m_f\) は液体の質量です。

• \(x=0\)：すべて飽和水
• \(0<x<1\)：湿り蒸気
• \(x=1\)：乾き飽和蒸気

乾き度は湿り蒸気の二相領域だけで使います。過熱蒸気に \(x=1.1\) のような乾き度を与えることはできません。

湿り蒸気の比物性値 \(y\) は、飽和水と乾き飽和蒸気の質量加重平均として、

\[
\boxed{y=(1-x)y_f+xy_g}
\]

または、

\[
\boxed{y=y_f+x(y_g-y_f)=y_f+xy_{fg}}
\]

と計算できます。この式は、比体積 \(v\)、比内部エネルギー \(u\)、比エンタルピー \(h\)、比エントロピー \(s\) に使えます。

例題2：乾き度0.80の湿り蒸気

100 ℃、乾き度 \(x=0.80\) の湿り蒸気について、比エンタルピーと比体積を求めます。

100 ℃の飽和表から、

\[
h_f=419.17\ \mathrm{kJ/kg}
\]

\[
h_{fg}=2256.4\ \mathrm{kJ/kg}
\]

です。したがって、

\[
\begin{aligned}
h
&=h_f+xh_{fg}\\
&=419.17+0.80\times2256.4\\
&=2224.29\ \mathrm{kJ/kg}
\end{aligned}
\]

となります。

比体積は、NIST表の \(1.04346\ \mathrm{cm^3/g}\) と \(1671.8\ \mathrm{cm^3/g}\) をSI単位へ換算して、

\[
v_f=0.00104346\ \mathrm{m^3/kg}
\]

\[
v_g=1.6718\ \mathrm{m^3/kg}
\]

とします。よって、

\[
\begin{aligned}
v
&=v_f+x(v_g-v_f)\\
&=0.00104346+0.80(1.6718-0.00104346)\\
&\approx1.338\ \mathrm{m^3/kg}
\end{aligned}
\]

です。

比エンタルピーから乾き度を求める

湿り蒸気の比エンタルピーがわかっている場合、

\[
h=h_f+xh_{fg}
\]

を \(x\) について解いて、

\[
\boxed{x=\frac{h-h_f}{h_{fg}}}
\]

と求められます。

例題3：0.50 MPa、比エンタルピー2400 kJ/kgの状態

圧力 \(0.50\ \mathrm{MPa}\)、比エンタルピー \(2400\ \mathrm{kJ/kg}\) の水・蒸気の状態と乾き度を求めます。

圧力基準の飽和表から、

\[
T_{\mathrm{sat}}=151.831\ \mathrm{^\circ C}
\]

\[
h_f=640.09\ \mathrm{kJ/kg}
\]

\[
h_g=2748.1\ \mathrm{kJ/kg}
\]

\[
h_{fg}=2108.0\ \mathrm{kJ/kg}
\]

です。与えられた比エンタルピーは、

\[
h_f<2400<h_g
\]

を満たすため、状態は湿り蒸気です。乾き度は、

\[
\begin{aligned}
x
&=\frac{h-h_f}{h_{fg}}\\
&=\frac{2400-640.09}{2108.0}\\
&\approx0.835
\end{aligned}
\]

となります。質量の約83.5%が蒸気、約16.5%が液体です。

過熱蒸気表の読み方

過熱蒸気表は、圧力ごとに温度、比体積、比エンタルピー、比エントロピーなどが並んでいます。

読み方は次の順番です。

1. 与えられた圧力の欄を探す
2. その圧力の飽和温度を確認する
3. 与えられた温度が飽和温度より高いことを確認する
4. 目的の温度の行から \(v\)、\(h\)、\(s\) などを読む

例題4：0.50 MPa、200 ℃の過熱蒸気

圧力 \(0.50\ \mathrm{MPa}\)、温度200 ℃の水蒸気について、状態を判定し、比体積と比エンタルピーを読みます。

0.50 MPaの飽和温度は151.831 ℃です。

\[
200>151.831
\]

なので、この状態は過熱蒸気です。NISTIR 5078の圧縮水・過熱蒸気表から、0.50 MPa、200 ℃の欄を読むと、

\[
\boxed{v=0.42503\ \mathrm{m^3/kg}}
\]

\[
\boxed{h=2855.8\ \mathrm{kJ/kg}}
\]

です。過熱蒸気では乾き度を使わず、圧力と温度から物性値を読みます。

蒸気表をエネルギー収支に使う

定常流動系で、運動・位置エネルギーの変化と軸仕事を無視できる加熱器や凝縮器では、

\[
\boxed{\dot Q=\dot m(h_2-h_1)}
\]

と書けます。

たとえば、100 ℃の乾き飽和蒸気1 kgが同温度の飽和水まで完全に凝縮するとき、放出する熱量の大きさは、

\[
\begin{aligned}
|Q|
&=m(h_g-h_f)\\
&=1\times2256.4\\
&=2256.4\ \mathrm{kJ}
\end{aligned}
\]

です。

蒸気使用量を求める場合は、装置に必要な熱流量 \(\dot Q_{\mathrm{need}}\) を蒸気1 kgあたりのエンタルピー低下量で割ります。

\[
\boxed{
\dot m_{\mathrm{steam}}
=\frac{\dot Q_{\mathrm{need}}}{h_{\mathrm{in}}-h_{\mathrm{out}}}
}
\]

エネルギー収支の立て方は、エネルギー収支とは？基本式と解き方で確認できます。

表にない値は内挿する

目的の温度や圧力が表の2点の間にある場合、変化が十分滑らかで間隔が狭ければ線形内挿を使います。独立変数を \(X\)、求めたい物性値を \(y\) とすると、

\[
\boxed{
y
=y_1+(y_2-y_1)\frac{X-X_1}{X_2-X_1}
}
\]

です。

ただし、飽和線や臨界点の近くでは物性値が急激に変化するため、粗い間隔の単純な線形内挿では誤差が大きくなる場合があります。設計や高精度計算では、細かい表、IAPWS対応ソフトウェア、信頼できる物性データベースを使います。

蒸気表を使うときの注意点

圧力は絶対圧力を使う

通常、蒸気表の圧力は絶対圧力です。圧力計が示すゲージ圧力 \(p_{\mathrm{g}}\) を使う場合は、

\[
\boxed{p_{\mathrm{abs}}=p_{\mathrm{g}}+p_{\mathrm{atm}}}
\]

として絶対圧力へ直します。大気圧の近似には \(0.1013\ \mathrm{MPa}\) を使うことが多いですが、必要な精度に合わせます。

MPaとkPaを混同しない

\[
1\ \mathrm{MPa}=1000\ \mathrm{kPa}
\]

です。0.5 MPaと500 kPaは同じ圧力です。単位の扱いは、化学工学で使う単位と次元も参考にしてください。

表の記号と単位を最初に読む

比体積が \(\mathrm{m^3/kg}\) ではなく \(\mathrm{cm^3/g}\)、エンタルピーが \(\mathrm{kJ/kg}\) ではなく \(\mathrm{J/g}\) で掲載されていることがあります。数値だけを写さず、見出しと単位を確認します。

乾き度を相対湿度と混同しない

蒸気表の乾き度は、液体水と水蒸気が共存する湿り蒸気中の蒸気質量分率です。空気中の水蒸気量を表す相対湿度とは別の量です。

飽和温度であるだけでは状態が一つに決まらない

0.50 MPa、151.831 ℃という情報だけでは、飽和水、湿り蒸気、乾き飽和蒸気のどれかは決まりません。乾き度、比エンタルピー、比体積などを追加で確認します。

基準の異なるエンタルピーを混ぜない

エンタルピーは基準状態からの差として示されます。入口と出口では、同じ蒸気表または同じ基準の物性データを使います。

蒸気表を読む7つの手順

1. 与えられた量と求めたい量を整理する
2. 圧力を絶対圧力へそろえる
3. 温度または圧力から飽和条件を調べる
4. 圧縮水、飽和二相、過熱蒸気のどこにあるか判定する
5. 飽和表、圧縮水表、過熱蒸気表のどれを使うか決める
6. 湿り蒸気なら \(y=y_f+xy_{fg}\) を使う
7. 単位、状態、値の大小が物理的に自然か確認する

演習問題で確認しよう

3問の四択テストで、状態判定・乾き度・圧力の基本を確認しましょう。

QUICK CHECK

1 / 3

熱力学・物性・初級

このミニテストの回答結果は保存されません。学習記録を残す場合は化工演習室をご利用ください。

まとめ

• 蒸気表は、水・蒸気の比体積、比内部エネルギー、比エンタルピー、比エントロピーなどをまとめた表
• 温度・圧力を飽和条件と比べ、圧縮水、飽和状態、過熱蒸気を判定する
• 飽和表には温度基準と圧力基準があり、与えられた条件に合う表を使う
• 湿り蒸気の乾き度は \(x=m_g/(m_f+m_g)\)
• 湿り蒸気の物性値は \(y=y_f+xy_{fg}\) で求める
• 過熱蒸気では圧力と温度から過熱蒸気表を読む
• エネルギー収支では \(\dot Q=\dot m(h_2-h_1)\) の比エンタルピー差が重要
• 圧力は絶対圧力、物性値は同じ基準・単位でそろえる

蒸気表は、すべての数字を一度に理解する必要はありません。「状態を判定する」「使う表を選ぶ」「目的の列を読む」の順番を守れば、熱収支や蒸気使用量の計算へ着実につなげられます。

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参考資料

• NISTIR 5078: Thermodynamic Properties of Water
• NISTIR 5078 Table 1: Saturation as a Function of Temperature
• NISTIR 5078 Table 2: Saturation as a Function of Pressure
• NISTIR 5078 Table 3: Compressed Water and Superheated Steam
• IAPWS-IF97: Industrial Formulation for Water and Steam
• NIST: ASME International Steam Tables for Industrial Use