真空中におけるばねの内部エネルギー変化と圧力の計算

このQ&Aのポイント
  • 真空中に置かれたシリンダー内のばねについて、ヒーターによる熱量の変化に伴うばねの伸びと気体の内部エネルギーの変化を考える。
  • はじめの状態でピストンはばねから鉛直下向きに大きさkaの弾性力と気体から鉛直上向きに大きさpSの力を受ける。
  • 真空中ではピストンは大気圧を受けないため、力のつりあいの式に大気圧は含まれない。従って、圧力pは p = ka/S となる。
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センター物理 ばね

図3のように真空中に断面積Sのシリンダーが鉛直に置かれている。 シリンダーにはなめらかに動くことができるピストンがはめこまれており、内部には理想気体が閉じ込められている。 ピストンはシリンダー底面とばね定数kの軽いばねでつながれており、ばねは鉛直方向に伸び縮みできる。 シリンダー内にはヒーターが設置されていて、気体を加熱することができる。シリンダーとピストンは断熱性の素材でできており、ピストンの質量、ばねとヒーターの体積および熱容量は無視できるものとする。 はじめ、ばねは自然長からaだけ伸びてピストンは静止していた。この状態からヒーターを作動させて合計Qの熱量をゆっくり気体に与えたところ、最終的にばねの自然長からの伸びは2aになった。この間の気体の内部エネルギーの変化分をΔUとする。 問 はじめの状態における気体の圧力pはいくらか。 解説 はじめの状態でピストンはばねから鉛直下向きに大きさkaの弾性力と気体から鉛直上向きに大きさpSの力を受ける。これらの力のつりあいにより 0=pS-kaよってp=ka/S となっていたのですが、力のつりあいの式で鉛直下向きにピストンは大気圧を受けないのですか?真空中は大気圧を受けないのですか?

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  • shuu_01
  • ベストアンサー率55% (760/1366)
回答No.1

気体の分子はシリンダーにもピストンにもぶつかり、ピストンを押し上げようとする力が加わります でも、ピストンの上は真空で、気体の分子も何もないし、ピストンの質量は無視できるというマンガみたいに都合のよい設定なので、下向きへの重力も考えなくて良いです

arutemawepon
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arutemawepon
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有難うございます、分かりました~

その他の回答 (1)

  • gohtraw
  • ベストアンサー率54% (1630/2966)
回答No.2

>真空中は大気圧を受けないのですか? 真空というのは大気も何もない状態をいうのだが、 そこでどうやって大気圧を受けるのか聞きたいものだ。

arutemawepon
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お礼

御返答有難うございます

arutemawepon
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有難うございます

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