科目
熱力学
章
気体と第一法則
図番
01 / 14
内容
シミュレータ・例題3問
熱力学 1 / 14

空気圧計の 250 kPa は、本当は 351 kPa気体の状態式(絶対圧と絶対温度)

タイヤの空気圧計が読む 250 kPa(ゲージ圧)は、真空から測ると 351 kPa(絶対圧)。20℃ のタイヤが走って 60℃ になると、絶対温度は 293 K → 333 K の 1.14倍で、絶対圧は 351 → 399 kPa、ゲージ圧は約 298 kPa になる。気体の計算は、いつも絶対圧と絶対温度で、式は pV = mRT。

乗用車のタイヤのバルブに、丸い文字盤の空気圧計が当てられていて、タイヤのまわりから、温かさを示す黄土色の細い線が立ちのぼっている
このページの内容
  1. 走った後のタイヤは、空気圧が高い
  2. 公式はこれ
  3. 圧力は、真空から測る(絶対圧)
  4. 温度は、−273℃ から測る(絶対温度)
  5. 公式を、かたまりに分けて読む
  6. どの数字がいちばん効く?
  7. 動かしてみよう
  8. よくある勘違い
  9. この公式が使える条件
  10. 例題

この単元のポイント

  1. 圧力は、真空を 0 として測る(絶対圧)。タイヤの空気圧計が読む 250 kPa は、大気圧を 0 とした値(ゲージ圧)で、絶対圧では大気圧 101 kPa を足した 351 kPa。
  2. 温度は、−273℃ を 0 として測る(絶対温度)。タイヤの空気が 20℃ から 60℃ になると、絶対温度は 293 K → 333 K の 1.14倍。絶対圧は 351 → 399 kPa で、空気圧計は約 298 kPa。ゲージ圧のまま比例させると 284 kPa、℃ のまま比例させると 750 kPa と誤る。
  3. 圧力・体積・温度・空気の量を1本にまとめた式が pV=mRTpV = mRT。中の空気が 30 L のタイヤなら、20℃・ゲージ 250 kPa で入っている空気は 125 g。

走った後のタイヤは、空気圧が高い

車のタイヤの空気圧は、ガソリンスタンドの空気圧計で測ります。タイヤのバルブに当てると、針が「250 kPa」のような数を指します。

空気圧は、走る前の冷えたタイヤで測る決まりです。走るとタイヤが温まり、中の空気の温度が上がって、圧力も上がるからです。

数字で確かめます。朝、20℃ のタイヤを 250 kPa に合わせました。高速道路を走って、中の空気が 60℃ になったとします。空気圧計は何 kPa を指すでしょうか。

予想してから読む20℃ で 250 kPa(空気圧計の読み)のタイヤの空気が、走って 60℃ になった。空気圧計の読みは?

公式はこれ

気体の圧力 p\sntP・体積 V\sntV・温度 T\sntT・質量 m\sntM の間には、次の関係があります。気体の状態式といいます。

p V=m R T\sntP\,\sntV = \sntM\,\sntR\,\sntT
記号 意味 この単元のタイヤで
p\sntP 圧力(絶対圧 [Pa]) 351 kPa(空気圧計の読み 250 kPa + 大気圧 101 kPa)
V\sntV 体積 [m³] 30 L = 0.030 m³
m\sntM 気体の質量 [kg] 125 g
R\sntR 気体定数(空気は 287 J/(kg·K)) 287 J/(kg·K)
T\sntT 温度(絶対温度 [K]) 293 K(20℃)

タイヤの空気は、温まっても量 m\sntM と体積 V\sntV がほとんど変わりません。そのときは、絶対圧が絶対温度に比例します。

p2=p1×T2T1=351 kPa×333 K293 K=399 kPa\sjtPTwo = \sjtPOne \times \dfrac{\sjtTTwo}{\sjtTOne} = 351\ \mathrm{kPa} \times \dfrac{333\ \mathrm{K}}{293\ \mathrm{K}} = 399\ \mathrm{kPa}

空気圧計の読みに戻すには、大気圧を引きます。399 − 101 = 298 kPa です。朝より 48 kPa 高くなりました。

この科目の決まり(熱力学の計算は、いつもこれ)

圧力は絶対圧、温度は絶対温度で計算する。絶対圧 = ゲージ圧 + 大気圧 101 kPa、絶対温度 [K] = ℃ + 273。答えを空気圧計の読みや ℃ に戻すのは、最後に1回だけ。

圧力の単位 Pa(パスカル)は、1 m² あたり 1 N の力です。材料力学の 応力とひずみ の単元で見た応力と、同じ単位です。250 kPa は、1 cm² あたり 25 N。指先ほどの広さに、約 2.5 kg の物を載せたくらいの力です。

圧力は、真空から測る(絶対圧)

空気圧計の針は、タイヤを外した状態で 0 を指します。でも、そのときも、空気圧計のまわりには空気があります。地上の空気は、いつも 101 kPa の圧力で、あらゆる物を押しています(大気圧)。

空気圧計が読むのは、この大気圧より、どれだけ高いかです。これをゲージ圧といいます。真空を 0 として測った圧力が絶対圧です。

p1⏟絶対圧=pg1⏟ゲージ圧(計器の読み)+patm⏟大気圧 101 kPa\underbrace{\sjtPOne}_{\text{絶対圧}} = \underbrace{\sjtPgOne}_{\text{ゲージ圧(計器の読み)}} + \underbrace{\sjtPatm}_{\text{大気圧 101 kPa}}

空気が抜けて、空気圧計が 0 を指すタイヤにも、中には 101 kPa の空気が入っています。気体を温めて圧力が何倍になるかを考えるときは、この 101 kPa を落とせません。

大気圧が変わると、この差が目に見えます。山の上で、空のペットボトルのふたを閉めて、ふもとまで持って下りると、ボトルがへこみます。

山の上は、大気圧が低い所です。標高 2,300 m なら約 77 kPa です(国際標準大気)。ボトルの中には 77 kPa の空気が閉じこめられます。ふもとの 101 kPa に押されて、ボトルは中の空気が縮むまでへこみます。

温度は、−273℃ から測る(絶対温度)

体積を変えずに気体を冷やすと、圧力は温度に対して、まっすぐ下がっていきます。その線を延ばして、圧力が 0 になる温度が −273.15℃ です。これより冷たい温度はありません。

この温度を 0 として測ったものを絶対温度といい、単位は K(ケルビン)です。目盛りの間隔は ℃ と同じなので、温度の差は ℃ でも K でも同じ数です。

T1⏟絶対温度 [K]=t1⏟℃+273.15\underbrace{\sjtTOne}_{\text{絶対温度 [K]}} = \underbrace{\sjtTOnec}_{\text{℃}} + 273.15

20℃ は 293 K、60℃ は 333 K です。℃ で見ると 3倍ですが、絶対温度で見ると 1.14倍にすぎません。気体の圧力を決めるのは、絶対温度のほうです。

絶対温度が大きく変わると、気体ははっきり縮みます。ふくらませた風船を液体窒素(−196℃、77 K)に入れると、みるみるしぼみます。

風船の中の圧力は、大気圧とほとんど同じです。圧力がそのままなら、体積が絶対温度に比例します。293 K から 77 K へは 0.26倍。風船の中の空気は、約 4分の1 の体積になろうとします(実際には、空気の一部が液体になり、もっと小さくなります)。

公式を、かたまりに分けて読む

状態式を、圧力について解きます。

p=m⏟空気の量×R⏟気体の種類×T⏟温度÷V⏟入れ物の大きさ\sntP = \underbrace{\sntM}_{\text{空気の量}} \times \underbrace{\sntR}_{\text{気体の種類}} \times \underbrace{\sntT}_{\text{温度}} \div \underbrace{\sntV}_{\text{入れ物の大きさ}}
  1. 空気の量 m\sntM 空気入れで空気を足すと、量に比例して圧力が上がります。
  2. 気体の種類 R\sntR 1 kg あたりの気体の粒の数で決まる数です。軽い気体ほど、1 kg に粒が多く、R\sntR が大きくなります。空気は 287 J/(kg·K)。
  3. 温度 T\sntT 温めると、粒が速く動いて、壁を強く押します。粒が止まる温度が 0 K です。だから、温度は絶対温度で比例します。
  4. 入れ物の大きさ V\sntV 同じ量の空気を半分の体積に押しこめると、圧力は 2倍です。

タイヤの例では、m\sntM・R\sntR・V\sntV が変わらず、T\sntT だけが 1.14倍になりました。だから、絶対圧も 1.14倍です。

どの数字がいちばん効く?

この単元のタイヤ(朝 20℃・ゲージ 250 kPa、走った後 60℃、30 L)から、1つずつ変えたときの、走った後のゲージ圧です。

変えるもの 走った後のゲージ圧 変化
朝のゲージ圧を10%高く(275 kPa) 326 kPa +28 kPa(+9.5%)
走った後の温度を、℃ で10%高く(66℃) 305 kPa +7 kPa(+2.4%)
走った後の絶対温度を10%高く(366 K、93℃) 338 kPa +40 kPa(+13%)
体積を10%大きく(33 L) 298 kPa 変わらない(空気の量が +10%)

℃ で 10% 上げても、絶対温度では 1.8% しか上がりません。だから、圧力もわずかしか変わりません。絶対温度で 10% 上げると、絶対圧も 10% 上がり、ゲージ圧では 13% 上がります。ゲージ圧には、変わらない大気圧の分が入っていないからです。

動かしてみよう

走った後の温度 t2\sjtTTwoc のスライダーを動かしてください。左の温度の棒は、0 K から伸びているので、20℃ と 60℃ の差は、思ったより小さく見えます。右の圧力の棒は、下の灰色が大気圧の分、上の赤が空気圧計の読みです。

下の枠はタイヤの中の空気で、幅が体積、粒の数が質量です。体積 V\sjtV を大きくすると、枠と粒の数が一緒に増え、濃さは変わりません。

右端の薄い棒は、空気圧計の読みのまま比例させた、誤りの計算です。走った後の棒と比べると、ゲージ圧で 14 kPa 低く出ています。

「いまの図を残して比べる」を押すと、そのときの答えを基準にして、何倍になったかが出ます。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 朝のゲージ圧 p₁ を 0 kPa にする(空気を入れる前のタイヤ)。走った後の絶対圧の棒と、薄い「ゲージ圧のまま」の棒を比べる(まだ)
  2. 走った後の温度 t₂ を 0℃ にする(20℃ で合わせたタイヤの、冬の朝)。左の温度の棒が何倍に縮むかを見る(まだ)
  3. タイヤの中の空気の体積 V を 2倍の 60 L にする(大きなタイヤ)。下の枠と粒の数、走った後のゲージ圧を見る(まだ)
kPa
℃
℃
L
温度は 0 K から測る0100200300400K0℃20℃293 K朝60℃333 K走った後絶対温度で ×1.14下の端 0 K は −273℃(これより冷たい温度は無い)圧力は真空から測る絶対圧で ×1.140200400600800kPa絶対 351ゲージ 250朝絶対 399ゲージ 298走った後ゲージ 284ゲージ圧のまま大気圧の分 101 kPa(破線 = ゲージ 0)ゲージ圧(空気圧計の読み)タイヤの中の空気 30 L・125 g粒 1 つ = 5 g
走った後の絶対圧は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

p2=p1×T2T1\htmlClass{q-stress}{p_2} = \htmlClass{q-stress}{p_1} \times \dfrac{\htmlClass{q-heat}{T_2}}{\htmlClass{q-heat}{T_1}}=351.3 kPa×333.15293.15= 351.3\ \mathrm{kPa} \times \dfrac{333.15}{293.15}=399.3 kPa= 399.3\ \mathrm{kPa}
走った後の絶対圧
p2=399 kPa\htmlClass{q-stress}{p_2} = 399\ \mathrm{kPa}
走った後のゲージ圧
pg2=298 kPa\htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}2}} = 298\ \mathrm{kPa}
ゲージ圧のまま比例させた値(誤り)
pg2,誤=284 kPa\htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}2,\text{誤}}} = 284\ \mathrm{kPa}
朝の絶対圧
p1=351 kPa\htmlClass{q-stress}{p_1} = 351\ \mathrm{kPa}
絶対温度が何倍になったか
T2/T1=1.14 \htmlClass{q-heat}{T_2/T_1} = 1.14\
タイヤの中の空気の質量
m=125 g\htmlClass{q-material}{m} = 125\ \mathrm{g}
途中の計算(導出)を見る
  1. 朝の絶対圧(空気圧計の読みに、大気圧を足す)

    p1=pg1+patm=250 kPa+101.33 kPa=351.3 kPa\htmlClass{q-stress}{p_1} = \htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}1}} + \htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{atm}}} = 250\ \mathrm{kPa} + 101.33\ \mathrm{kPa} = 351.3\ \mathrm{kPa}
  2. 絶対温度(℃ に 273.15 を足す)

    T1=t1+273.15,T2=t2+273.15=20+273.15,60+273.15=293.15 K,333.15 K (1.14 倍)\htmlClass{q-heat}{T_1} = \htmlClass{q-heat}{t_1} + 273.15,\quad \htmlClass{q-heat}{T_2} = \htmlClass{q-heat}{t_2} + 273.15 = 20 + 273.15,\quad 60 + 273.15 = 293.15\ \mathrm{K},\quad 333.15\ \mathrm{K}\ (1.14\ \text{倍})
  3. 走った後の絶対圧(空気の量と体積が同じなら、絶対温度に比例)

    p2=p1×T2T1=351.3 kPa×333.15293.15=399.3 kPa\htmlClass{q-stress}{p_2} = \htmlClass{q-stress}{p_1} \times \dfrac{\htmlClass{q-heat}{T_2}}{\htmlClass{q-heat}{T_1}} = 351.3\ \mathrm{kPa} \times \dfrac{333.15}{293.15} = 399.3\ \mathrm{kPa}
  4. 走った後のゲージ圧(空気圧計の読み。大気圧を引く)

    pg2=p2−patm=399.3 kPa−101.33 kPa=297.9 kPa\htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}2}} = \htmlClass{q-stress}{p_2} - \htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{atm}}} = 399.3\ \mathrm{kPa} - 101.33\ \mathrm{kPa} = 297.9\ \mathrm{kPa}
  5. 比べる相手:ゲージ圧のまま比例させると(誤り)

    pg2,誤=pg1×T2T1=250 kPa×333.15293.15=284.1 kPa (−13.8 kPa ずれる)\htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}2,\text{誤}}} = \htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}1}} \times \dfrac{\htmlClass{q-heat}{T_2}}{\htmlClass{q-heat}{T_1}} = 250\ \mathrm{kPa} \times \dfrac{333.15}{293.15} = 284.1\ \mathrm{kPa}\ (-13.8\ \mathrm{kPa}\ \text{ずれる})
  6. タイヤの中の空気の質量(状態式 pV = mRT から)

    m=p1 VR T1=351,300 Pa×0.03 m3287×293.15 K=125 g\htmlClass{q-material}{m} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-displacement}{V}}{\htmlClass{q-material}{R}\,\htmlClass{q-heat}{T_1}} = \dfrac{351{,}300\ \mathrm{Pa} \times 0.03\ \mathrm{m^3}}{287 \times 293.15\ \mathrm{K}} = 125\ \mathrm{g}

つまり、ものを作るときは

圧力の数字を見たら、ゲージか絶対かを確かめる。空気圧計・圧力計の多くはゲージ圧を読みます。計算に入れる前に 101 kPa を足します。カタログでは、ゲージ圧を「kPa(G)」、絶対圧を「kPa(abs)」と書き分けることがあります。

温度で変わる量は、温度をそろえて測る。タイヤの空気圧は、走る前の冷えたときに合わせます。走った後に 250 kPa へ下げると、冷えたときに足りなくなります。この単元のタイヤなら、60℃ で 250 kPa に合わせると、20℃ に戻ったとき 208 kPa です。

よくある勘違い

「温度が 20℃ から 40℃ の 2倍になると、圧力も 2倍」

温度の比は、絶対温度でとります。20℃ → 40℃ は 293 K → 313 K で、1.07倍です。

考え方 60℃ の後の空気圧計の読み
℃ のまま比例させる(250 × 60/20) 750 kPa
絶対温度で比例させるが、ゲージ圧のまま(250 × 333/293) 284 kPa
絶対温度・絶対圧で比例させ、最後に大気圧を引く 298 kPa

℃ のまま比例させると、0℃ をまたぐときに、もっとおかしくなります。20℃ で合わせたタイヤが 0℃ になると、℃ の比は 0 なので、圧力が 0 になってしまいます。正しくは 226 kPa です。

「ゲージ圧 0 なら、中に空気は無い」

空気圧計が 0 を指しても、中には大気圧 101 kPa の空気があります。30 L のタイヤなら、20℃ で 36 g です。

「空気をたくさん入れたタイヤほど、温まると圧力が大きく上がる」

圧力が何倍になるかは、絶対温度の比だけで決まり、空気の量にはよりません。上がる kPa の数は、初めの絶対圧に比例するので、空気圧が高いタイヤほど大きくなります。

この公式が使える条件

  • 気体は理想気体(空気・窒素・酸素などを、常温で、数 MPa くらいまで)。液体になる近くの低い温度や、とても高い圧力では外れる
  • 圧力は絶対圧、温度は絶対温度で入れる。気体定数 R\sntR は気体の種類で決まる(空気 287、ヘリウム 2,077 J/(kg·K))
  • タイヤの計算では、ゴムが少し伸びて体積が増える分を入れていない(実際の上がり方は、計算より少し小さい)
  • 容器の中の圧力・温度は、どこも同じとする
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

2つの実験の決まりから:温度を変えずに気体を押し縮めると、圧力と体積の積が一定になります(ボイルの法則、pVpV = 一定)。圧力を変えずに温めると、体積が絶対温度に比例します(シャルルの法則、V/TV/T = 一定)。

1つにまとめる:状態 1 から、まず温度を T1T_1 のまま、圧力を p2p_2 にします。体積は V′=p1V1/p2V' = p_1 V_1/p_2 です。次に圧力を p2p_2 のまま、温度を T2T_2 にします。体積は V2=V′×T2/T1V_2 = V' \times T_2/T_1 です。2つを合わせると、

V2=p1V1p2 T2T1⟹p1V1T1=p2V2T2V_2 = \dfrac{p_1 V_1}{p_2}\,\dfrac{T_2}{T_1} \qquad\Longrightarrow\qquad \dfrac{p_1 V_1}{T_1} = \dfrac{p_2 V_2}{T_2}

pV/TpV/T は、どの状態でも同じ値です。

空気の量に比例する:同じ圧力・温度で、空気を 2倍にすると体積も 2倍です。だから pV/TpV/T は質量 m\sntM に比例し、比例の定数を R\sntR と書くと pV=m R TpV = \sntM\,\sntR\,T です。

気体定数の値:どの気体でも、1 mol(粒 6.02 × 10²³ 個)あたりでは 8.314 J/(mol·K) です。空気 1 mol は 28.97 g なので、1 kg あたりでは 8.314÷0.02897=287 J/(kg⋅K)8.314 \div 0.02897 = 287\ \mathrm{J/(kg\cdot K)} です。

タイヤの空気の質量:m=pV/(RT)=351,325×0.030/(287×293.15)=0.125 kg\sntM = pV/(\sntR T) = 351{,}325 \times 0.030 / (287 \times 293.15) = 0.125\ \mathrm{kg}。

次の 熱と仕事(第一法則) の単元では、気体を温める「熱」と、気体が押す「仕事」を、同じエネルギーとして数えます。

例題

例題1 ロードバイクのタイヤ

ロードバイクのタイヤに、20℃ の部屋で、空気圧計の読み 600 kPa まで空気を入れました。自転車を真夏の日なたに置いたら、タイヤの中の空気が 50℃ になりました。タイヤの体積は変わらないとします。

(1) 部屋での絶対圧。(2) 50℃ での絶対圧と、空気圧計の読み。(3) 空気圧計の読みのまま比例させると、何 kPa と誤るか。

ヒント 1 / 2

空気圧計の読みに 101 kPa を足して絶対圧に、℃ に 273 を足して絶対温度にしてから比例させます。

ヒント 2 / 2

絶対温度の比は 323÷293=1.10323 \div 293 = 1.10 です。

答えと解き方を見る
(1) p1=701 kPa(1)\ p_1 = 701\ \mathrm{kPa}
(2) p2=773 kPa,pg2=672 kPa(2)\ p_2 = 773\ \mathrm{kPa},\quad p_{\mathrm{g}2} = 672\ \mathrm{kPa}
(3) 661 kPa(3)\ 661\ \mathrm{kPa}
  1. 朝の絶対圧(空気圧計の読みに、大気圧を足す)

    p1=pg1+patm=600 kPa+101.33 kPa=701.3 kPa\htmlClass{q-stress}{p_1} = \htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}1}} + \htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{atm}}} = 600\ \mathrm{kPa} + 101.33\ \mathrm{kPa} = 701.3\ \mathrm{kPa}
  2. 絶対温度(℃ に 273.15 を足す)

    T1=t1+273.15,T2=t2+273.15=20+273.15,50+273.15=293.15 K,323.15 K (1.1 倍)\htmlClass{q-heat}{T_1} = \htmlClass{q-heat}{t_1} + 273.15,\quad \htmlClass{q-heat}{T_2} = \htmlClass{q-heat}{t_2} + 273.15 = 20 + 273.15,\quad 50 + 273.15 = 293.15\ \mathrm{K},\quad 323.15\ \mathrm{K}\ (1.1\ \text{倍})
  3. 走った後の絶対圧(空気の量と体積が同じなら、絶対温度に比例)

    p2=p1×T2T1=701.3 kPa×323.15293.15=773.1 kPa\htmlClass{q-stress}{p_2} = \htmlClass{q-stress}{p_1} \times \dfrac{\htmlClass{q-heat}{T_2}}{\htmlClass{q-heat}{T_1}} = 701.3\ \mathrm{kPa} \times \dfrac{323.15}{293.15} = 773.1\ \mathrm{kPa}
  4. 走った後のゲージ圧(空気圧計の読み。大気圧を引く)

    pg2=p2−patm=773.1 kPa−101.33 kPa=671.8 kPa\htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}2}} = \htmlClass{q-stress}{p_2} - \htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{atm}}} = 773.1\ \mathrm{kPa} - 101.33\ \mathrm{kPa} = 671.8\ \mathrm{kPa}
  5. 比べる相手:ゲージ圧のまま比例させると(誤り)

    pg2,誤=pg1×T2T1=600 kPa×323.15293.15=661.4 kPa (−10.4 kPa ずれる)\htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}2,\text{誤}}} = \htmlClass{q-stress}{p_{\mathrm{g}1}} \times \dfrac{\htmlClass{q-heat}{T_2}}{\htmlClass{q-heat}{T_1}} = 600\ \mathrm{kPa} \times \dfrac{323.15}{293.15} = 661.4\ \mathrm{kPa}\ (-10.4\ \mathrm{kPa}\ \text{ずれる})

30 K 上がると、空気圧計の読みは 72 kPa 上がります。車のタイヤ(250 kPa)より上がり幅が大きいのは、初めの絶対圧が大きいからです。比は同じ 1.10倍です。

誤りの 661 kPa は、正しい 672 kPa より 10 kPa 低く出ます。大気圧の分 101 kPa も 1.10倍になることを落としたからです。

例題2 山の上で閉めたペットボトル

標高 2,300 m の山の上(大気圧 77 kPa、10℃)で、空のペットボトルのふたを閉めました。ふもと(大気圧 101 kPa、25℃)まで持って下りると、ボトルは外の大気圧に押されてへこみ、中の空気の圧力が外と同じになるまで縮みます。

中の空気の体積は、山の上の何倍になるか。

ヒント 1 / 2

空気の量は同じなので、p1V1/T1=p2V2/T2p_1V_1/T_1 = p_2V_2/T_2 です。V2/V1=(p1/p2)(T2/T1)V_2/V_1 = (p_1/p_2)(T_2/T_1)。

ヒント 2 / 2

圧力の比は 77/101=0.7677/101 = 0.76、絶対温度の比は 298/283=1.05298/283 = 1.05 です。

答えと解き方を見る
V2/V1=0.8V_2/V_1 = 0.8

圧力の差で 0.76倍に縮み、ふもとが暖かい分で 1.05倍にふくらみます。合わせて 0.80倍です。2 L のボトルなら、中の空気は 1.6 L ほどになろうとします。

実際のボトルは、へこむと形が戻ろうとして中の空気を押し返すので、ここまでは縮みません。中の圧力は、外の 101 kPa より少し低いまま止まります。

例題3 教室の空気の重さ

縦 8 m・横 8 m・高さ 3 m の教室に、101 kPa・20℃ の空気が入っています。

(1) 教室の空気の質量。(2) 暖房で 30℃ にしました。圧力は大気圧のままで、ふくらんだ分の空気は、すき間から外へ出ていきます。教室に残る空気の質量と、出ていった空気の質量。

ヒント 1 / 2

状態式を質量について解くと m=pV/(RT)m = pV/(RT) です。体積は 8×8×3=192 m38 \times 8 \times 3 = 192\ \mathrm{m^3}。

ヒント 2 / 2

(2) は、圧力と体積がそのままで、絶対温度が 303/293303/293 倍になります。質量は絶対温度に反比例します。

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(1) m=231 kg(1)\ m = 231\ \mathrm{kg}
(2) 224 kg, 出ていった空気 7.6 kg(2)\ 224\ \mathrm{kg},\ \text{出ていった空気}\ 7.6\ \mathrm{kg}

教室の空気は、およそ 231 kg。大人3〜4人分の重さです。ふだん重さを感じないのは、まわりも同じ空気で、上からも下からも押されているからです。

30℃ にすると、7.6 kg(約 3%)の空気が出ていきます。暖かい空気は、同じ体積で軽くなります。熱気球が浮くのは、このためです。