27 (2015 ) C t [ C] T [K] ( ) T [K] = t[ C] (1) = (temperature) (absolute zero) (absolute temperature) (Celsius temp

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よしおえいさか
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27 (2015 ) 4 4.1 4.1.1 273.15 C t [ C] T [K] ( ) T [K] = t[ C] + 273.15 (1) = 4.1.2 (temperature) (absolute zero) (absolute temperature) (Celsius temperature) [ C] ( ) [K] ( ).

1 27 (2015 ) C t [ C] T [K] ( ) T [K] = t[ C] (1) = (temperature) (absolute zero) (absolute temperature) (Celsius temperature) [ C] ( ) [K] ( ) C K 2: 0 K 0 C = K 100 C = K 19 1: Lord Kelvin, W.T. ( ) 47

[J] ( ) 3: (a) (b) (thermal motion) Robert Brown (1773 1853) Albert Einstein (1879 1955) (heat) (thermal

2 [J] ( ) 3: (a) (b) (thermal motion) Robert Brown ( ) Albert Einstein ( ) (heat) (thermal energy) (quantity of heat) [J] ( ) [cal] ( ) 1 cal = 4.19 J = (internal energy) 4: : 48

4.1.2 物質の三態水の状態図固体液体気体の 3 種類は分子の結びつき構造で決まる分子がしっかりと結ばれていれば固体分子が自由に飛び回れるならば気体である例えば液体と気体が接しているとき見かけ上何の変化も生じていないように見えても蒸発する分子と凝縮する分子がある環境条件が一定であれば

(sublimation) 図 6: 物質の三態湖が凍っても魚が生きられる理由㠃 ị 水は分子構造上温度 4 C のときに最も体積が小さくなるつまり 4 C の水の比重が一番重い冬に外気の影響で湖が凍っても湖 ᗏ 4Υ 底には 4 C の水が存在する魚は 4 C で生き延びられるように進化

一瞬で凍ることが 1 つの理由だという融解熱気化熱蒸発熱固体から液体液体から気体に状態が変化するときは分子運動に多くのエネルギーを与える必要があるこのときに加えるエネルギーをそれぞれ図 8: ぶつかると凍る過冷却の風融解熱気化熱蒸発熱という氷から水に変化するとき熱を加え続けても

3 4.1.2 物質の三態水の状態図固体液体気体の 3 種類は分子の結びつき構造で決まる分子がしっかりと結ばれていれば固体分子が自由に飛び回れるならば気体である例えば液体と気体が接しているとき見かけ上何の変化も生じていないように見えても蒸発する分子と凝縮する分子がある環境条件が一定であれば両者の数は同じであり平衡状態にあるという固体 (solid) 液体 (liquid) 気体 (gas) 平衡 (equilibrium) 蒸発 (evaporation) 凝縮 (condensation) 融解 (fusion, melting) 凝固 (solidification) 昇華 (sublimation) 図 6: 物質の三態湖が凍っても魚が生きられる理由㠃 ị 水は分子構造上温度 4 C のときに最も体積が小さくなるつまり 4 C の水の比重が一番重い冬に外気の影響で湖が凍っても湖 ᗏ 4Υ 底には 4 C の水が存在する魚は 4 C で生き延びられるように進化しているのだ図 7: 4 C に耐えられれば越冬できる過冷却と樹氷水が凍ったり沸騰したりするきっかけは不純物の混入による精製水をゆっくりと 5 度の冷蔵庫で凍らせると液体のまま過冷却状態であり外気に触れた瞬間に凍りつくようなことになる雪国などで見られる樹氷は過冷却状態の水滴が木にぶつかって一瞬で凍ることが 1 つの理由だという融解熱気化熱蒸発熱固体から液体液体から気体に状態が変化するときは分子運動に多くのエネルギーを与える必要があるこのときに加えるエネルギーをそれぞれ図 8: ぶつかると凍る過冷却の風融解熱気化熱蒸発熱という氷から水に変化するとき熱を加え続けても氷が残っている限り温度が 0 [ C] のままでしばらく一定になるのは熱が融解熱に使われているからである水から水蒸気になるときも同様である腕にアルコールを塗られるとヒヤッと涼しく感じるのはアルコールが蒸発するときに皮膚から熱を奪うからである 49 融解熱 (heat of fusion) 気化熱蒸発熱 (heat of evaporation)

4 1[g] [J/g] = 80 [cal/g] 1[mol] 6 [kj/mol] =1440 [cal/mol] 1[g] 2257 [J/g] = 540 [cal/g] 1[mol] 41 [kj/mol] = 9720 [cal/mol] 9: 9 () 強度 T = 5500[K] T = 5000[K] T = 4500[K] T = 4000[K] T = 3500[K] 周波数 [Hz] 波長 [nm] 10: 10 ; Wien, ; Stefan, ; Boltzmann, (Planck, ) (1900) K 1 m kj 1 cm cal C 0 C 50

5 4.2 (conduction) (convection) (radiation) C 11: (Thermos) (greenhouse effect gas) (a) (b) 12: 18 C 51

6 30 30.4 25 23.1 20 17.3 15 12.8 10 9.4 5 6.

6 4.3 1 m 3 g % &" %" $" #"!"!" #" $" %" 13: ( 100% ) C g/m (humidity) C 1 m 3 10 g 32.7 % T 0 = 11.0 C T 0 T 0 14: 15 52

コラムコラム 10 (天気予報で出される指数 ) 夏場になると不快指数という言葉を耳にするアメリカの旅行天気会社が考え出した量と言われるが気温 T と湿度 H をもとにして

6 (2) として計算する量だというだがこの量は風の影響を含めていないので必ずしも体感と一致するわけではなく気象庁の統計種目でもない 65 70 75 80 85 90 95

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7 コラムコラム 10 (天気予報で出される指数 ) 夏場になると不快指数という言葉を耳にするアメリカの旅行天気会社が考え出した量と言われるが気温 T と湿度 H をもとにして露点温度 T0 を計算し不快指数 D = 0.72(T + T0 ) (2) として計算する量だというだがこの量は風の影響を含めていないので必ずしも体感と一致するわけではなく気象庁の統計種目でもない図 16: 温度と湿度から不快指数を読み取る図!$$ 湿度[%] ($ %"" 70 以上で一部の人が 75 以上で約半数 80 以上でほぼ全員が不快と感じ 85 以上で全員が苦痛を感じるという '$ $" 最近では天気予報会社が付加価値を出すた &$ #" #$!" $!" #$ #" %$ %" &$ &" 温度[ ] めに洗濯指数お出かけ指数ビール指数鍋もの指数のど飴指数などさまざまな数値を予報して出している各社が気温湿度風速日射量などを基に独自に計算しているもので詳細な計算方法はほとんど公開されていない冷蔵庫の中はなぜ乾燥するのか冷蔵庫内は 40 C 程度にまで冷却機で冷やされた空気が循環し庫内の温度を下げる冷気は周囲から熱を奪い自分自身の温度は ࡋࡓ㔝 0 C 程度にまで上昇するそうなると飽和水蒸気量は増えるので冷蔵庫内の食材から水分を奪い取ることになる最近の冷蔵庫には密閉 ᖸ ࡗࡓ㨶された野菜室など工夫がされている図 17: 冷蔵庫のミイラ問題と研究問 4.4 湿度 100% とはどのような状態か 53 問 4.5 クモの巣に朝露がつく原因を説明せよ

8 A A (B) (C D) (Coriolis force) Gaspard-Gustave Coriolis ( ) N C B A D D N S S B C 18: 54

コリオリ力により高気圧から風が流れ低気圧に風が流れ込むときに北半球では常に時計回りになるように風が進む低気圧の近くでは全体として反時計回りに風が巻き込まれていく図 19 台風がいつも反時計回りなのはこのような理由による南半球の台風は逆回りであり赤道上で台風は発生しないちなみに北半球で台風が進むと進行方向の右側では台風に巻き込む風の向きと進行方向の速度

9 コリオリ力により高気圧から風が流れ低気圧に風が流れ込むときに北半球では常に時計回りになるように風が進む低気圧の近くでは全体として反時計回りに風が巻き込まれていく図 19 台風がいつも反時計回りなのはこのような理由による南半球の台風は逆回りであり赤道上で台風は発生しないちなみに北半球で台風が進むと進行方向の右側では台風に巻き込む風の向きと進行方向の速度が重なるが進行方向の左側では互いに相殺しあう台風が太平洋側を通り過ぎると本州では比較的穏やかになるのである図 19: 左高気圧から低気圧へ空気が流れると北半球の場合常に進行方向右向きにコリオリ力を受けるため高気圧から出るときは時計回りに低気圧へ巻き込まれるときには反時計回りに風になる右 2004 年 6 月太平洋上の台風 7 号と 8 号風呂の栓を抜いて水が回り込む方向風呂や洗面台に水を溜め栓を抜いて流れる様子を確認してみよう低気圧と同じように吸い込まれていく水は北半球では反時計回りになっているという説明が書かれている本がよくあるがコリオリの力はとても弱く地球規模の運動でようやく出現するものである風呂や洗面台では栓の場所や初期の水の回転運動などがその後の回転運動を決めてしまうようだ洋式水洗トイレの水の流れの向きも構造上のものである Jean B. L. Foucault ( ) フーコーの振り子地球が自転していることを証明した実験としてフーコーが行った振り子が有名である長いひもにおもりを付けて長時間振り子を振れさせると振動方向が見かけ上回転してゆくという現象である 1851 年パリ天文台とパンテオンにて公開実験が行われ人々を感心させたパンテオンの実験では全長 67m のワイヤーで 28kg のおもりを吊るしたものを使ったそうだ回転する原因はコリオリ力である北半球では右回りに振動面が回転し 1 周するのに必要な時間 T は緯度 θ の地点では T =24 時間/sin θ になる北極点では 24 時間赤道上では回転しない北緯 35 度ではおよそ 41.8 時間である 55 図 20: フーコーは地球の自転を振り子で証明した

コラムコラム 11 (温暖前線寒冷前線) 天気図は各地の気象台が測定した気圧風向風力の情報から大気の等圧線を描くことで得られている天気図に登場する前線について説明しよう暖かい空気暖気と冷たい空気寒気が混ざっている場所で天気が急変する場所が前線であるまず暖気と寒気が接したとしよう暖気の方が密度が薄いので寒気の上に重なり合うことになる

積乱雲は短時間に強い雨を降らせるので寒冷前線の通過後は天気が悪くなる温暖前線がやってくる前には暖気は緩やかに寒気の上に昇り乱層雲を作るこの雲は穏やかな雨を降らせるが温暖前線通過後は天気が好転する図 22 暖気はますます上へ追いやられるので寒冷前線のスピードの方が温暖前線よりはやくやがて 2 つの前線は合体して閉塞前線となる寒冷前線が接近すると

10 コラムコラム 11 (温暖前線寒冷前線) 天気図は各地の気象台が測定した気圧風向風力の情報から大気の等圧線を描くことで得られている天気図に登場する前線について説明しよう暖かい空気暖気と冷たい空気寒気が混ざっている場所で天気が急変する場所が前線であるまず暖気と寒気が接したとしよう暖気の方が密度が薄いので寒気の上に重なり合うことになるこのように空気が動き始めると北半球であればコリオリ力によって回転を始める寒気も暖気も進行方向右側に力を受けて回転するため接触面は反時計まわりに回転を始める図 21 上地上では寒気が進んでくるところ寒冷前線と暖気が寒気の上に乗り上げ始めるところ温暖前線が生じるどちらの前線も反時計まわりに動く図 21 寒冷前線の上空では暖気が急上昇して積乱雲が生じる積乱雲は短時間に強い雨を降らせるので寒冷前線の通過後は天気が悪くなる温暖前線がやってくる前には暖気は緩やかに寒気の上に昇り乱層雲を作るこの雲は穏やかな雨を降らせるが温暖前線通過後は天気が好転する図 22 暖気はますます上へ追いやられるので寒冷前線のスピードの方が温暖前線よりはやくやがて 2 つの前線は合体して閉塞前線となる寒冷前線が接近すると空気が対流して地表付近のちりなどが巻き上げられる煙霧と呼ばれる現象が発生することがあるいきなり空全体が黄色や紫色に変わり一時的に視界が悪くなることになるなおこのほか暖気と寒気が同じ程度の強さで拮抗しているときには地上には停滞前線ができる春か図 21: 低気圧に前線が 2 つできる様子ら夏への変わり目の梅雨や秋から冬への変わり目の長雨は停滞前線の影響だ図 22: 前線の前後での気流の変化 56

3 大気の安定度 (1) 3.1 乾燥大気の安定度大気中を空気塊が上昇すると周囲の気圧が低下するこのとき空気塊は高断熱膨張 (adiabatic expansion) するので周りの空気に対して仕事をした分だけ熱エネルギーが減少し空気塊の温度は低下する逆に空気塊が下降する高と断

3 大気の安定度 (1) 3.1 乾燥大気の安定度大気中を空気塊が上昇すると周囲の気圧が低下するこのとき空気塊は高断熱膨張 (adiabatic expansion) するので周りの空気に対して仕事をした分だけ熱エネルギーが減少し空気塊の温度は低下する逆に空気塊が下降する高と断 3 大気の安定度 (1) 3.1 乾燥大気の安定度大気中を空気塊が上昇すると周囲の気圧が低下するこのとき空気塊は高断熱膨張 (adiabatic exansion) するので周りの空気に対して仕事をした分だけ熱エネルギーが減少し空気塊の温度は低下する逆に空気塊が下降する高と断熱圧縮 (adiabatic comression) されるので温度は上昇する飽和に達し高ていない空気塊が断熱的に上昇するときの温度低下の割合を乾燥断熱減率