-
2倍
6/23
面
で、
EP
132
熱
45 気体の法則
熱気球がある。 下端に小さな開口部があって、
内部の空気を外気と等しい圧力にしている。ヒ
ーターにより内部の空気の温度を調節すること
ができる。 風船部の体積をV=500〔m²〕(ゴン
ドラの体積は無視), 気球全体の質量を W=
180 [kg] とする (内部の空気は含めない)。 地表
での大気圧を Po=1.00×10〔Pa〕,密度を po=
1.20 [kg/m²] とする。 大気は理想気体とし、温
度はT=280〔K] で高度によらず一定とする。
45 気体の法則
浮力
133
排除した
V
m = pV と表されるから」
00 Vg = (oV) g+Wg
=
1.20×500-180
500
LECTURE
内部の空気の質量mは m
(1)
風船部
力のつり合いより
p =
00V-W
= 0.840 〔kg/m²]
外気について:
内部の空気について:
ゴンドラ
T₁ = 0 To ==
(1) 気球を地面から浮上させるには,内部の空気の密度をどこまで下
げることが必要か。 また,そのためには何Kまで熱することが必要
か。その密度 p〔kg/m3] と温度 T1 [K] を求めよ。
(2)内部の空気の温度を上記のに保って、ゴンドラ内の積荷をw
(=18〔kg〕だけ軽くした。気球は上昇し,ある高度で静止するはずで
ある。その高度における大気の密度 p1 〔kg/m3〕 を求めよ。
(3)その高度における大気圧 P1 [Pa〕 を求めよ。
(4) その高度は次のいずれの値に最も近いか。
より
Po=RTo
P
Po=RT.....
1.20
0.840
D
V
P
mg
......①
To
P
X280 = 400 (K)
Wg
3
浮力が増して浮くの
ではない!
内部の空気の重さ
mg を減らして浮く。
(2) 気球の外部, 内部の空気について
P₁ =RT.......3
外部:
M
内部:
P1=
é
M
RT………④
④
より
To
(3
0=101
力のつり合いより
piVg=(p'V)g+(W-w)g
上の を代入して, p1 を求めると
T₁(W-w) 400 × (180-18)
500X (400-280)
=
浮力 Vg
0'
T
01 V(T1 To)
=1.08 (kg/m³)
m'g
P1
100m,300m,500m,700m, 900m, 1100m
(東京大)
(3)外気についての①、③に着目し、
とすると
To
02)x S.NX 00S
02) x 08-
1.08
R
1.20
(W-w)g
Level (1)~(4)★
Base of
理想気体
状態方程式
大気の上端
気体定数 [ J/mol・K]
この部分
この部分
重さ P
の重さ P
Point & Hint 力のつり
合いでは, 風船部内にある空気
の重力を忘れないこと。 状態方
程式は, 1モルの質量をM,密
度をpとしてP=RT と
表せる(気体の質量をと
すると,n=m/M=pVM)。密
度を扱う場合はこの形が便利。
PV=nRT-
圧力
体積物質量 絶対温度
〔P〕= [N/m2〕 〔3〕 [mol] [K]
※T[K] = 273 + t[°C] [LOOST-SI
※nはモル数ともよばれ,分子数をNとす
ると, n = NINA (NAはアボガドロ定数)
(4)ある高さでの大気の圧力は、それより上空にある空気の重さ(正確には、単位
面積あたりの重さ)に等しい。
P₁ = 0₁ Po== · x 1.00 × 105 = 900×10'[Pa〕
Po
(4) 地上から高さんまでの空気について,平均密
度はおよそ (po +p1)/2であり, 1m² あたりの
重力 (重さ) は Po-P, に等しいから
00+01. hg = Po-P₁
ふん≒
2
2(Po-Pi)_2(1.00 -0.900)×105
(po+01)g (1.20 +1.08) x 9.8
≒895≒900[m]
1m²
地上
pihg < Po-Pi < pohg と不等式にしてい
850くん <945 となる。