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(その24の続き)

前回勉強しました熱力学の第一法則というのはエネルギー保存に関係した法則ということでした。この法則を使って断熱膨脹という働きについて勉強していきたいと思います。

断熱膨張に冷却という言葉がくっついていますけれども、実は気体というのは膨脹すると温度が下がります。ちょっと一瞬よく分からないという感じですね。空気塊がこんなふうにありまして、何かのきっかけでフワーッと上昇したとします。そうすると上のほうは気圧が低いですから気圧が下がります。周りの気圧が下がると今まで下のほうではぎゅうぎゅう周りから押されていた空気塊だったのに上のほうに行って気圧が下がるとボワンと急に膨脹しちゃうんですね。

このボワンと膨脹したときにΔQ=ΔW+Δuという熱力学の第一法則を考えると、いつどこで熱をもらったかということですよね。もらってないんですよ。ΔQをもらってないのに膨脹という仕事をしちゃったという状態なんですね。つまり外部との熱のやりとりがない、ΔQ=0というときに、内部エネルギーを使用して膨脹しているんです。空気塊がもともと持っているエネルギーを使って仕事をしたんですね。だから「はあ、疲れちゃった」ということで温度が下がっちゃうんですよ。空気塊の温度が下がってしまう。こういうのを断熱膨張冷却と言います。

熱力学の第一法則でΔQで外部との熱のやりとりがある状態で話をしましたけれども、ここで空気塊がどういう振る舞いをするのかということを考えるときにはどこからも外からの熱エネルギーをもらっていない、やりとりがないというふうに考えなければいけないんですね。ただ、エネルギーがどういうふうに減るかというのは、もらってないんだから内部のエネルギーを使うしかないっていうところは熱力学の第一法則で勉強したところであります。

上昇するときにこの空気塊の温度がどういうふうに下がっていくかというのは、適当に下がっているわけではなくて、実は割合が決まっています。乾燥断熱減率と言います。今、乾燥と言っているのは水蒸気のことを考えていません。乾燥空気の場合を考えます。割合は1km上昇するごとに約10℃温度低下しているんですね。10℃/kmと書いてありますけれども、そういう割合で温度が下がっていきます。

(その26へ続きます)

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