湿り空気と空気線図 — 空気の「湿り具合」を、どう測り、どう読むのか

まず一言で

湿り空気は、乾き空気に水蒸気が混ざった空気だ。水蒸気が入れる量には、温度ごとに上限がある（飽和）。水蒸気の量を変えずに冷やしていくと、上限に当たる温度が露点温度で、それより冷やすと、余った水蒸気が水になる（結露）。空気線図は、全圧が一定のとき、温度と水蒸気の量で決まる空気の状態を、1枚に描いた図だ。加熱・冷却では温度だけが、加湿・除湿では水蒸気の量だけが動く。

湿り空気を数える — 絶対湿度と相対湿度

湿り空気は、乾き空気（DA、dry air）と水蒸気の混合気体だ。気象庁の『気象観測の手引き』は、空気中の水蒸気の分圧を水蒸気圧と呼ぶ。水蒸気の量の表し方は2つある。

• 絶対湿度 $x$：乾き空気1kgに対する、水蒸気の質量。単位は kg/kg(DA)
• 相対湿度 $\varphi$：水蒸気圧 $P_v$ を、同じ温度の飽和水蒸気圧 $P_{vs}$ で割り、100倍したもの。単位は%

なぜ「乾き空気1kgあたり」で数えるのか。加熱・冷却・加湿・除湿のどれをしても、乾き空気の質量は変わらない。変わるのは水蒸気だけだ。動かないものを物差しにすれば、水蒸気の増減が、そのまま数字に出る（当サイトの説明。熊本県立大学の講義資料も、湿った空気のうちの乾燥空気1kgに対する水蒸気の質量、と言い直している）。

2つは、水蒸気圧を通してつながる。大気圧を $F$（101325 Pa）、水蒸気圧を $P_v$ として、建築研究所の資料は次の式を示している。

0.622 は、水蒸気の分子と乾き空気の分子の重さの比だ（Vaisala社の資料は 0.62199）。水蒸気は軽いので、同じ温度・同じ分圧なら、同じ体積に入る質量は、乾き空気の約6割になる。

なぜ、水蒸気には「上限」があるのか

気象庁の手引きは、空気中に含まれる水蒸気の量には、温度によって存在しうる最大量が決まっていると書く。その状態が飽和で、そのときの蒸気圧が飽和蒸気圧だ。飽和のとき、水面では蒸発する水と、空気中の水蒸気からの凝結が等しく（平衡）、見かけ上は蒸発も凝結もしない。

なぜ、そこが「最大」なのか。水面からは、水の分子が空気中へ飛び出し続ける。飛び出す勢いは、水の温度で決まる。一方、空気中の水蒸気の分子も、水面へ戻る。戻る数は、水蒸気の濃さ（分圧）で決まる。濃くなれば戻る数が増え、飛び出す数に追いついたところで、見かけ上の増減が止まる。これが飽和だ（当サイトの説明。気象庁の「蒸発と凝結が等しい」を言い換えた）。

温度が高いほど、飛び出す勢いが強い。追いつくまでの濃さも大きくなる。飽和水蒸気圧は、温度とともに急に大きくなる。

これで、「空気には温度ごとの上限がある」と、理由つきで言える。

なぜ、相対湿度は変わるのに、絶対湿度は変わらないのか

空気を加熱するだけなら、水蒸気の質量も、乾き空気の質量も変わらない。だから絶対湿度 $x$ は変わらず、上の式から、水蒸気圧 $P_v$ も変わらない。変わるのは、飽和水蒸気圧 $P_{vs}$ だけだ。$\varphi = P_v / P_{vs}\times 100$（%）の分母だけが、温度で動く。

例題1　乾球温度26℃・相対湿度50%の空気（状態A）の絶対湿度を求める。

• 飽和水蒸気圧（表5-1）：26℃で 33.61 hPa ＝ 3361 Pa
• 水蒸気圧：$P_v = 0.50 \times 3361 = 1680.5$ Pa
• 絶対湿度：$x = 0.622 \times 1680.5 / (101325 - 1680.5) = 0.01049$ kg/kg(DA)

約0.0105 kg/kg(DA)、つまり約10.5 g/kg(DA)だ。飽和水蒸気圧を建築研究所の式(5)で計算しても、小数第4位まで同じになる。

例題2　Aの水蒸気の量を変えずに、温度だけを変える。$P_v = 1680.5$ Pa のままだ。

暖めると相対湿度が下がる。冷やすと上がり、14.8℃あたりで100%に届く。水蒸気は1gも増減していない。

これで、乾球温度と相対湿度から、水蒸気圧・絶対湿度を計算し、温度が変わったあとの相対湿度を出せる。

なぜ、冷やすと露点で結露するのか

気象庁の手引きは、空気を圧力を変えずに冷却していくと、ある温度で水蒸気が飽和に達し、それ以上は水蒸気の状態で存在できず、凝結を始めて露を結ぶ、と書く。この温度が露点温度だ。

理由は、前の節で見たとおりだ。冷やしても水蒸気圧 $P_v$ は変わらない。ところが飽和水蒸気圧 $P_{vs}$ は、温度が下がるほど急に小さくなる。両者が等しくなる温度が、露点だ。それ以上冷やすと、$P_v$ が $P_{vs}$ を超えることはできない。超えた分は、水になる。

例題3　状態A（26℃・50%）の露点と、10℃まで冷やしたときの結露水の量を求める。

• Aの水蒸気圧は $0.50 \times 33.61 = 16.805$ hPa。表5-1で 14.7℃が 16.72 hPa、14.8℃が 16.82 hPa なので、露点は約14.8℃
• 10℃の飽和空気：$P_{vs} = 12.27$ hPa ＝ 1227 Pa。$x_S = 0.622 \times 1227 / (101325 - 1227) = 0.00762$ kg/kg(DA)
• 出た水：$0.01049 - 0.00762 = 0.00287$ kg/kg(DA)。乾き空気1kgあたり、約2.9 g

Vaisala社の資料にある簡易式でも、露点は14.77℃と出る。ここでは表を引いた。

図1の上では、Aから水平に左へ動き（冷却）、飽和曲線（相対湿度100%の線）にぶつかる点Dが露点だ。さらに冷やすと、点は水平には動けない。出た水を取り除けば、点は飽和曲線の上にとどまり、曲線に沿って左下へ下る。下った分が、出た水の量だ。

なぜ、冷たい面に触れた空気の薄い層は、その面の温度で飽和しているといえるのか。面の上には、結露した水がある。水面の上では、蒸発と凝結が釣り合う状態が飽和だ。層の水蒸気が、その温度の飽和水蒸気圧より濃い間は、凝結が勝って水蒸気が減り続ける。釣り合ったところで止まる（当サイトの説明）。

これで、水蒸気圧から露点を出し、「結露するか」を、面の温度との比べ合いで決められる。

湿球温度 — なぜ、空気の乾き具合を表すのか

湿球温度は、乾湿計（乾球と湿球の2本の温度計）で測る。気象庁の手引きは、湿球の表面では水分が蒸発して気化熱が奪われ、湿球温度が下がると書く。空気が乾燥しているほど蒸発は激しく、降下が大きい。湿っているときは、降下が小さい。

なぜ、どこかで下げ止まるのか。湿球が冷えるほど、周りの空気から入る熱は増える。一方、湿球の水の飽和水蒸気圧は下がり、蒸発は弱まる。入る熱と、蒸発で奪われる熱が釣り合ったところで、温度計の読みは止まる。空気が乾いているほど、釣り合うのは低い温度だ（当サイトの説明）。空気が飽和していれば蒸発しないので、降下はゼロになる。

気象庁は、乾球温度 $t$、湿球温度 $t'$、気圧 $P$（hPa）から蒸気圧 $e$（hPa）を出す式（スプルングの式）を示す。$E'$ は湿球温度の飽和蒸気圧、$A$ は湿球が凍らないとき0.50だ（気象庁の表5-3は通風乾湿計用で、この式で作られている。通風しない乾湿計用の表5-4は、別の式で a＝0.0008）。

例題4　状態A（26℃・50%、$e = 16.805$ hPa）の湿球温度を、気圧1013.25 hPaで求める。

$t'$ を決めて、右辺が 16.805 hPa になるところを探す。$t' = 18.7$℃では $E' = 21.55$ hPa（表5-1）で、右辺は $21.55 - 4.90 = 16.65$ hPa。$t' = 18.8$℃では $E' = 21.69$ hPa で、$(0.50/755) \times 1013.25 \times (26 - 18.8) = 4.83$ なので、$21.69 - 4.83 = 16.86$ hPa。16.805 hPa に近いのは後者だ。湿球温度は約18.8℃になる。

乾球26.0℃ ＞ 湿球18.8℃ ＞ 露点14.8℃。飽和していない空気では、この順に並ぶ。理由は、スプルングの式から読める。$t > t'$ なら $e < E'$、つまり空気の水蒸気圧は、湿球温度の飽和水蒸気圧より小さい。飽和水蒸気圧は温度が高いほど大きいので、水蒸気圧と飽和水蒸気圧が等しくなる温度（露点）は、湿球温度より低い。$t = t'$ なら $e = E'$ で、空気は飽和し、3つの温度が等しい（当サイトの読み）。

これで、湿球温度が乾球温度より低い理由と、乾湿の指標になる理由を、蒸発の気化熱から説明できる。

空気線図の読み方

乾球温度・相対湿度・絶対湿度は、2つが分かれば、残りが決まる（熊本県立大学の講義資料）。全圧が一定のときの話だ（二次資料）。空気線図は、その関係を1枚に描いた図だ。

線図の上の線は、次のような形をしている。

空気に行う操作と、線図の上の動き

熊本県立大学の2003年の講義資料は、空調で空気に行う操作を、加熱・冷却・加湿・除湿・混合に分けて、線図の上の動きを示している（古い資料だが、仕組みの説明に使う）。

• 加熱・冷却：乾球温度だけが変わる。水蒸気の量は同じなので、水平に動く
• 加湿・除湿：水蒸気の量だけが変わる。乾球温度は同じなので、垂直に動く
• 混合：2つの状態を結ぶ直線の上に、混ぜた割合に応じた点ができる。絶対湿度と比エンタルピーは、乾き空気の質量で重みをつけた平均で、質量の多い方に寄る（乾球温度は近似。同じ資料）
• 組み合わせ（冷却除湿）：露点以下まで冷やす。水平に左へ動き、飽和曲線に出会ったら、曲線に沿って下る（当サイトの読み。図1）

同じ資料は、乾球温度を変えずに除湿するのは実際には難しく、空気を露点まで冷やして水蒸気を結露水として除き、あとで加熱し直す（再熱）のが一般的だと書いている。

覚え方は1つだけ。横に動けば温度が変わり、縦に動けば水分が変わる。

これで、加熱・冷却・加湿・除湿・混合が線図のどちらへ動くかを、理由つきで言える。

比エンタルピー — 顕熱と潜熱に分ける

空気の持つ熱量は、比エンタルピー h（kJ/kg(DA)）で表す。0℃の乾き空気と0℃の水を基準にして測った、湿り空気の熱量だ（熊本県立大学の講義資料）。乾き空気を温める熱と、水蒸気の分（0℃の水を蒸発させる熱と、その水蒸気を温める熱）の和になる。

係数は資料によって少し違う。2024年の講義資料は 1.005、2501.1、1.846 を使い、2003年の講義資料の式は 1.006、2501、1.805 を使う。状態Aで比べると、h の差は0.02 kJ/kg(DA)に満たない。本文では、式の形は2024年のものに、係数は2003年のものに合わせ、1.006、2501、1.805 で統一する。

温度が変わる分（顕熱）と、水蒸気の量が変わる分（潜熱）は、次の式で分けられる（2003年の講義資料の式）。

例題5　状態A（26℃、$x = 0.01049$）を、状態S（10℃の飽和、$x = 0.00762$）にするときの熱量の内訳を求める。

• $h_A = 52.9$、$h_S = 29.3$ kJ/kg(DA)。差は 23.6 kJ/kg(DA)
• 水平に 26℃→10℃（顕熱）：$16 \times (1.006 + 1.805 \times 0.01049) = 16.4$
• 垂直に $x$ を 0.01049→0.00762（潜熱、10℃）：$0.00287 \times (2501 + 1.805 \times 10) = 7.2$
• 合計 $16.4 + 7.2 = 23.6$。必ず合う（式の恒等変形。凝結水の持ち去る熱は含めない）

全熱に占める顕熱の割合を顕熱比（SHF）という。$16.4 / 23.6 = 0.69$。顕熱比の定義は標準的なもので、出典資料にはなく、筆者が書いた。この比が主役になる冷却コイルの計算は、次のトピックで扱う。

なお、比容積は、乾き空気1kgを含む湿り空気の体積だ。理想気体の式 $R_a T/(P - P_v)$（$R_a$ は乾き空気の気体定数、$T$ は絶対温度）から、温度が高いほど、水蒸気が多いほど大きい。状態Aで約0.86 m³/kg(DA)になる（標準的な式。出典資料にはなく、筆者が導出）。

現場とつなぐ

冷却コイルは、除湿もしている。 熊本県立大学の2003年の講義資料は、空気冷却器（冷却コイル）を暖かい空気が通ると、急冷却されて結露し、水分が水滴として分離されて落ちていくので、冷却器は減湿も兼ねる、と書く。コイル表面の温度が、通る空気の露点より低ければ、コイルに触れた空気の層は、図1のSのように、コイル表面の温度で飽和した状態になる（全部の空気がコイルに触れるわけではない。当サイトの読み）。水が出る以上、受けて流す先が要る。排水の処理は、ここでは立ち入らない。

盤の結露と、線図。 キュービクルや制御盤の内側の結露も、同じ仕組みで説明できる。盤の中の水蒸気の量が同じなら、温度を上げると線図の右へ動き、相対湿度が下がる。たとえば、15℃・相対湿度80%の空気を、水蒸気の量を変えずに25℃にすると、相対湿度は約43%になる（飽和水蒸気圧の表から計算）。

試験での出方とワナ

出題の型

令和8年度 問題A No.7（必須）：比エンタルピーを斜めの軸、絶対湿度を縦軸、乾球温度を横軸にとった線図に、状態点Aと、4つの候補の点がある。露点より低い表面で冷やされた空気層の状態点を選ぶ形だった（問題文・図・選択肢は転載していない）。

決め手は2つだ。

1. 飽和曲線（飽和空気線）の上にあること。表面の温度で飽和している
2. 絶対湿度が、Aより小さいこと。結露で水が出た分だけ減る

飽和曲線に届いていない点は、表面の温度で飽和していない。Aより絶対湿度が大きい点は、冷却では作れない。公式の正答肢は、この2つを満たす点だった。決め手の2つは、公式の解説ではなく、飽和の定義と物理からの当サイトの読みだ。

ひっかけの型は、本文のあとの「出題者のワナ」に4つまとめた。どれも、ここまでの節に出てきたことの裏返しだ。

冒頭の問いの答え合わせ

26℃・相対湿度50%の空気が、表面10℃のコイルに十分に触れた。

• 薄い層の温度は、約10℃（表面と同じ）
• 相対湿度は100%。表面に結露水があり、その温度で飽和している
• 絶対湿度は約0.0076 kg/kg(DA)。もとの約0.0105より、約0.0029（乾き空気1kgあたり約2.9 g）減る
• 図1のSの位置だ。Aから水平に左へ動いた点ではなく、飽和曲線の上で、Aより下

「増えるのか、同じか、減るのか」は、減る。10℃の空気が持てる水蒸気は、もとの空気が持つ量より少ないからだ。

理解度チェックの問1〜3（定義）、問6・7（湿球）、問8（冷たい面の空気）、問9〜11（計算）で、確かめてみよう。

（例題の数値は、気象庁の表と建築研究所の式の両方を使い、プログラムで検算している。）

次の問い

冬の朝、窓ガラスに水滴がつく。室内の空気は20℃・相対湿度40%でも、露点は6.0℃だ（やってみよう②）。では、窓ガラスの室内側の表面温度は、室温と外気温のあいだの何℃になるのか。それは何で決まり、結露を防ぐには、何を変えればよいのか。次のトピック「結露と防露」で、この問いを追う。