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Physics Senior High

(2)番についてです 自分は位置エネルギーと大気圧への仕事も考えてW=pΔv+MgL/2+p0ls/2 と考えたのですが、解答では位置エネルギーとか考慮していません。なぜですか?

142 熱 49 熱力学 断熱材で作られた円筒形の容器に〔mol]の 単原子分子の理想気体が入っていて、圧力と温 TOK] は大気のそれと等しい。 ピストンMの 質量は 〔kg] で滑らかに動く。はじめMはス トッパーAで止まっており、容器の底からの高 さはLQm] である。 気体定数をR [J/mol・K], 重力加速度(m/s²] とする。 (1) ヒーターのスイッチを入れて気体を加熱し たところ, 温度が T1 [K] になったときM が上に動き始めた。温度 T と気体に加えた熱量 Q1 〔J〕 を求めよ。 (2) Mはゆっくり上昇を続け高さが2.2L[m]となった。このとき の温度 T [K] を求めよ。 また,Mが動き始めてからこのときまで に気体がした仕事 W 〔J〕 と気体に加えた熱量 Q2 〔J〕 を求めよ。 ここでヒーターのスイッチを切った。 そして,外力を加えてMを ゆっくりと押し込み、元の高さL 〔m〕まで戻した。 このときの気体 の温度 T3 〔K〕 を求めよ。 また, このとき気体がされた仕事 W 〔J〕 を求めよ。 ただし、この断熱変化の過程では圧力と体積Vの間に (京都工繊大) はPV =一定の関係がある。 Base M ヒーター 10000 Cv= Level (1), (2)★ (3)★ Point & Hint (1) 前後の状態方程式と、ピストンが 動き始めるときの力のつり合いを押さ える。 大気圧をPo, ピストンの面積をS とでもおくとよいが,これらの文字は 答えには用いられない。 (2) なめらかに動くピストンが自由になっていると 定圧変化が起こる。 定圧変化では, 気体がする仕事 = PAVとなる。 (3) 断 熱変化では,PV=一定が成り立つ。 γは比熱比とよばれ, y=Cp/Cv ここで は単原子なので,y= =1/12/2/12/2R=7/3/3 となっている。あとは第1法則の問題。 5 h= 単原子分子気体 nRT U= 3 5 = 2R CP=R 2 ※ この3式は「単原子」のとき LECTURE 初めの気体の状態方程式は ピストンが動き始めるときの圧力をPとすると PSL = nRT …..……② (1) そして,このときのピストンのつり合いより PS = Pos+Mg...... ③ T₁=To+ _MgL nR4 ①〜③ より 定積変化だから より (2 そして (2) Pi での定圧変化が起こる。 状態方程式より P₁S³/L=nRT₂ また, Q=nCvAT= PSL = nRTo ...... ① T₂ = ³2 T₁ = 3 (To+ MgL nR W2 = Pi4V = Pi P.(S. 3/L-SL) Q2=nCpAT = n 状態方程式より 5 2 第1法則より より 49 熱力学 nR(T₁-To) = MgL 2 2 T3= ③ -T₁ (3) 高さまで押し込んだときの圧力をP3とすると P.(S-L)* = P.(SL) P3= 3 PS を用いて. Ws = Mg AU』を調べ ( 4U2=2R(T-T)) 第1法則 4U2 = Q2+(-Wa) を用いて Qを求めることもできるが、まわりくどい。 =1/12P.SL=1/12nRT=1/12(nRT,+MgL) ②を用いた .. T = n. 52 R (T₂ - T₁) = (nRT. + MgL) 143 ピストンが動いて も上図の状況は変 P.S わらない。 つまり, 圧力 P1 は一定 'P・SL = nRT3 ...... ⑤ - (3) ³T = (3) (T. + MgL) 'T nR 2nR (T₁-T₂) = 0 + W₁ P1 = (2)(2)-1) (nRT. + MgL)

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Physics Senior High

(4)のxt グラフはなぜtが2のときも書くんですか?

例題 3 等加速度直線運動のグラフ 図は,x軸上を等加速度直線運動している物体 [m/s] [4 が,原点を時刻 0sに通過した後の 6.0 秒間の 速度と時間の関係を表す u-t図である。 8.0 (1) 物体の加速度a〔m/s'] を求めよ。 -2.or/s/ rotat 8-2t (2) 物体が原点から最も遠ざかるときの時刻 [s] と, その位置 x] [m] を求めよ。 45 165 (3) 6.0秒後の物体の位置 x2 [m] を求めよ。 1 (4) 経過時間 t [s] と物体の位置 x [m]の関係をグラフに表せ。 【指針 v-t図の傾きは加速度を表す。 また, v-t 図の面積から変位が求められる。 解 (1) a a = v-t図の傾きで表されるので (-4.0) - 8.0 -12.0 002 6.0 - 0 6.0 = (2) 速度が 0m/s となるとき, 物体は最も遠ざ かる。 「 v = vo + at」 (p.30 (13) 式) より 0 = 8.0 + (-2.0) × t1 :-2.0m/s2 = X1 1 x 4.0×8.0=16m 2 (3) x2 は図a の 「 (ア) の面積−(イ)の面積」より x2 = 16-12 × 2.0×4.0 = 12m - 0 -4.0 co (4) t = 0s, 2.0s, 4.0s, 6.0s でのxの値を求め x-t図に点を記して各点を結ぶと,図b の v [m/s] 8.0 O -4.0 x〔m〕 (ア) 図 a よって t = 4.0s 「最も遠ざかるとき 」 →速度 0 x は,図 a の(ア)の面積に等しいので(それ以上,先には進まない) DE (1) 16 12 6.0 0 ような放物線(→次ページ)の一部となる。 .ar t(s) (イ) 4.0 6.0 16.0 it [s] t[s] 2.0 4.0 6.0 図 b

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