水素やヘリウムなどの空気より軽い気体はどうやって質量を測っているんですか?

A 回答 (1件)

思いっきり冷やして液化水素、ヘリウムにして量る方法や、あらかじめ真空にしておいたボンベに吸入させて質量の差を求める方法などが考えられますね。

 あとですね、水素なら水素吸蔵金属などに吸着させて量る方法もありますね。
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この回答へのお礼

真空のボンベに水素を入れれば重くなるんですか・・・知りませんでした。
風船みたいに軽くなるものだと思ってました。
ありがとうございます。

お礼日時:2001/09/25 10:42

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Q空気より軽いものはどうやって量る?

 例えば、風船の重さを普通のはかりで量ると3gとかだとします。
 その風船にヘリウムを入れたら風船は浮いてしまうのではかりで量れなくなってしまいますよね。
 そのように空気より軽くなってしまった物はどうやって重さを量るのですか?
 「風船の重さ+ヘリウムの重さ」と机上で計算して出すしかないのですか?

Aベストアンサー

浮力補正をする方法

真空にする方法

加圧する方法
があります。ただ.加圧すると変な吸着がおこるので.普通は浮力補正をする方法になります。
天秤で.既知の分銅を置いて.風船で分銅(浮力よりも重い)を持ち上げて.風船の有無で浮力がどのくらいかが測定できます。
その場の.圧力.温度.湿度から空気の主さを計算で求めて.浮力補正します。

Q液体ヘリウムよりも低い温度にするためにはどうしますか?

液体ヘリウムよりも低い温度にするためにはどうしますか?

液体ヘリウムで下げられる温度はヘリウムの沸点である4 Kまですよね?

超伝導などでは、これより低い温度において実験が行われていますが、
これはどうやって温度を下げているのでしょうか?

Aベストアンサー

 高山等の気圧の低い所では、水が100℃以下で沸騰するのと同様に、液体ヘリウムを入れた密閉容器に真空ポンプを繋いで、容器内部を減圧すると、液体ヘリウムが4.2K以下で沸騰して、更に温度が下がります。
 しかし、温度が2.17K以下になると、液体ヘリウムは超流動という、粘度が極端に低い状態になります。
 超流動状態の液体ヘリウムは、熱伝導率が極端に高くなったり、重力に逆らって薄い膜となって高速で容器や配管の内側全体に広がったりします。
 超流動状態になった液体ヘリウムは、真空ポンプに繋がっている配管を通って、急速に容器の外に逃げてしまいます。
 又、超流動ヘリウムの膜が温度の高い所まで広がると、その熱はあっという間に低温容器の中に伝わってしまいます。
 このため、液体ヘリウムを減圧する方法では、温度を1K以下にする事にはあまり向いていません。

【参考URL】
 超流動 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E6%B5%81%E5%8B%95

 尚、普通のヘリウムは原子核の中に陽子が2個、中性子が2個あるヘリウム4と呼ばれるものですが、ヘリウムの中には原子核の中に陽子が2個、中性子が1個あるヘリウム3と呼ばれるものもあります。
 ヘリウム3は超流動状態になる温度が、34気圧で2.6mK(ミリケルビン)、0気圧でおよそ1mKとヘリウム4と比べて非常に低いため、液体ヘリウム3を減圧する事で、0.3K程度の極低温を得る事が出来ます。
 又、超流動ヘリウム4と超流動状態ではない液体ヘリウム3は、水と油の様に、混ざり合わずに分離する性質があります。 超流動ヘリウム4の上を液体ヘリウム3が覆っている(塞いでいる)状態であれば、超流動ヘリウムの逃げ場はありませんから、超流動ヘリウム4を蒸発させて熱を奪わせる事で、貴重なヘリウム3の使用量を節約して低温を得る事が出来ます。

 この事を利用した希釈冷凍法という、0.005K程度まで冷却可能な方法が存在します。

【参考URL】
 超低温物理学への招待|希釈冷凍器
  http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/ult/invitation/cryo/dr.html

 更に温度を下げる場合には、常磁性物質に磁場をかけた状態で、他の方法で冷却して極低温した後で、磁場を無くす事で、磁場によって生じていたエントロピーの低さを、熱運動のエントロピーの低さに転換して、千分の1Kクラスの極低温を得る、断熱消磁法が使用されます。

【参考URL】
 断熱消磁 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%96%AD%E7%86%B1%E6%B6%88%E7%A3%81

 常磁性物質を用いた断熱消磁法は、電子のスピンによる磁気モーメントを利用した方法ですが、現在は銅などを用いて、原子核のスピンによる磁気モーメントを利用して、百万分の1Kクラスの極低温を得る、核断熱消磁法が使用されます。

【参考URL】
 超低温の世界 - 金沢大学 理学部
  http://www.s.kanazawa-u.ac.jp/phys/physics_MC/ult_html/world.html

 超低温物理学への招待|核断熱消磁冷凍法
  http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/phys/ult/invitation/cryo/demag.html

 又、特殊な冷却方法として、少数の気体状の原子しか冷却する事が出来ませんが、レーザー冷却法があります。
 高真空状態に保った容器の中に、冷却対象の物質を極少量だけ気体にして入れ、冷却対象の原子が吸収し易い波長よりも僅かに長い波長のレーザーを、前後左右上下から当てると、ドップラー効果により、レーザーの光源に近づいて行く原子のみがレーザーを吸収する確率が高まり、レーザーを吸収した原子は、光の圧力で原子の移動している方向とは逆向きの力を受けて、運動速度が遅くなります。
 熱エネルギーとは原子や分子の運動エネルギーの事ですから、原子の運動が遅くなるという事は、熱が失われて温度が下がるという事です。
 レーザー冷却法で得られる低温は、百万分の1Kでです。

【参考URL】
 レーザー冷却 - Wikipedia
  http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B6%E3%83%BC%E5%86%B7%E5%8D%B4

 高山等の気圧の低い所では、水が100℃以下で沸騰するのと同様に、液体ヘリウムを入れた密閉容器に真空ポンプを繋いで、容器内部を減圧すると、液体ヘリウムが4.2K以下で沸騰して、更に温度が下がります。
 しかし、温度が2.17K以下になると、液体ヘリウムは超流動という、粘度が極端に低い状態になります。
 超流動状態の液体ヘリウムは、熱伝導率が極端に高くなったり、重力に逆らって薄い膜となって高速で容器や配管の内側全体に広がったりします。
 超流動状態になった液体ヘリウムは、真空ポンプに繋...続きを読む

Q質量パーセント 体積モル濃度 質量モル濃度

水酸化ナトリウム20グラムを水80グラムに溶かした液体の密度は1.2[g/cm3]である。この液体を次の濃度で表しなさい。(原子量 Na:23.0、 0:16.0、 H:1.0)

(1)質量パーセント

(2)体積モル濃度

(3)質量モル濃度

全然わかりません。
解説お願いします。

Aベストアンサー

これは化学の計算問題なので化学カテで質問するべきです。
今回は仕方ないのでこちらで回答しますが次からは化学カテ
で質問してくださいね。


(1)水酸化ナトリウム20.0gを80.0gの水に溶かして水溶液に
したのでこの溶液の質量は20.0+80.0=100gとなります。
すると水酸化ナトリウムは溶質なので

(質量パーセント濃度)=100×(溶質の質量)/(溶液の質量)[%]

となります。

よって
100×{20.0/(20.0+80.0)}=100×(20.0/100)=20.0%
となります。


(2)まず体積の単位について1cm^3=1mLが成り立ちます。
すると

(体積モル濃度[mol/L])=(溶質のモル数[mol])/(溶液の体積[L])

となります。

よって水溶液の密度は1.2g/cm^3=1.2g/mLとなるので水溶液
1L=1000mLの質量は1.2×1000=1200gとなります。
するとこの中に含まれる水酸化ナトリウム、つまり溶質の質量は
(1)より
1200×(20.0/100)=240g
となります。

すると水酸化ナトリウムNaOHの式量は23.0+16.0+1.0=40.0
なので240gのNaOHのモル数は240/40.0=6.0molとなります。

よって水酸化ナトリウム水溶液1.0L中にNaOHが6.0mol含まれて
いるので体積モル濃度は6.0mol/Lとなります。


(3)これは慣れていないとちょっと難しいかもしれません。
まず

(質量モル濃度[mol/kg])=(溶質のモル数[mol])/(溶媒の質量[kg])

となります。こちらは分母が溶液ではなく溶媒であることに注意です。

すると(2)より水酸化ナトリウム水溶液1.0Lの質量は1200gとなります。
すると溶媒は水なのでその質量は溶質の質量パーセント濃度が(1)より
20%なのでのこりの80%が溶媒(水)の質量になります。

よって水の質量は1200×(80.0/100)=960g=0.96kgとなります。
すると溶質の質量は1200×(20.0/100)=480gとなりNaOH=40.0なので
溶質のモル数は480/40.0=12.0molとなります。

よって求める質量モル濃度は
12.0/0.96=12.5mol/kg
となります。

これは化学の計算問題なので化学カテで質問するべきです。
今回は仕方ないのでこちらで回答しますが次からは化学カテ
で質問してくださいね。


(1)水酸化ナトリウム20.0gを80.0gの水に溶かして水溶液に
したのでこの溶液の質量は20.0+80.0=100gとなります。
すると水酸化ナトリウムは溶質なので

(質量パーセント濃度)=100×(溶質の質量)/(溶液の質量)[%]

となります。

よって
100×{20.0/(20.0+80.0)}=100×(20.0/100)=20.0%
となります。


(2)まず体積の単位について1cm^3=1mLが成り立ちます。
すると

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Q暖かい空気は本当に「軽い」のか?

暖かい空気はなぜ上に昇るのでしょうか?

初心者向け解説書などでは
「暖かい空気は、冷たい空気より軽いため」などと説明されています。

確かに、暖かい空気=空気分子の平均的な運動エネルギーが冷たい空気より大きい=空気の分子同士がはじきあう(?)力が大きいため、空気を押し縮める力(主に重力)に対して、押し広げようとする力が大きくなる=空気の密度が小さくなる=冷たい空気よりも体積あたりの重さ(=比重)が小さくなる=「軽い」という見方もできるかもしれません。

しかし、空気の分子は、一つ一つがランダムに動いており、(分子間力の影響は多少受けているとはいえ)熱気球のように強制的に膜などで仕切られ、まとめられているわけではないのですから、
空気を集団として考え、比重をもって「重さ」を論じることに果たして意味があるのでしょうか?

あくまで空気の分子一つ一つを見て考えれば、暖かい分子も、冷たい分子も、同じ重さなのではないでしょうか?(ここでは議論を簡単にするために、「空気分子」という単一の重さの分子を想定します)

果たして、「暖かい空気は『軽い』ので上昇する」という説明は、本質的に正しい説明なのでしょうか、それともそれはあくまでも初心者や子どもがわかるための「方便」で、実際にはもっと別な理由があるのでしょうか?

以上、気体の対流について述べましたが、液体の場合も基本的に同じではないかと思います。
ただ、水の対流などを考えると、確かに比重の違いが上昇、下降の運動の変化と一致しているので、重い、軽いという説明に一定の根拠があるのかなとは思っています。

以上、どなたかご教授ください。
できれば高校の物理、化学レベルで説明していただけるとうれしいのですが、もう少し専門的な説明でも頑張って勉強しようと思いますので、よろしくお願いします。

暖かい空気はなぜ上に昇るのでしょうか?

初心者向け解説書などでは
「暖かい空気は、冷たい空気より軽いため」などと説明されています。

確かに、暖かい空気=空気分子の平均的な運動エネルギーが冷たい空気より大きい=空気の分子同士がはじきあう(?)力が大きいため、空気を押し縮める力(主に重力)に対して、押し広げようとする力が大きくなる=空気の密度が小さくなる=冷たい空気よりも体積あたりの重さ(=比重)が小さくなる=「軽い」という見方もできるかもしれません。

しかし、空気の分子は、一...続きを読む

Aベストアンサー

確かに、空気の分子一つ一つを見て考えれば、暖かい分子も、冷たい分子も、同じ重さです。
空気では、集団としての空気を考え、その比重をもって振舞いを論じます(論じることができます)。

このことを理解するために、次の思考実験するといいです。

ここに、大気中に周りより暖かい空気の塊があるとします。これが対象1です。
その暖かい空気の塊を風船のように何かの膜で囲ってあるとします。これが対象2です。
勿論、膜の材質の重さはないとします。
対象2が、比重をもって振舞いを論じることができるのは分かると思います。

対象1と対象2で、塊の内部の状態は同じです。(少なくとも短時間なら)
異なるのは、囲いのあたり、塊の周辺で外との境辺りです。

違いの具体的なことは、端的には、対象1では暖塊の内部から分子が出て行き、外から別の分子が入って来ることです。
しかし、次のようにも考えられます。
即ち、出て行こうとした分子が外部の分子と衝突して引き返して来た。外部の分子は内部分子に跳ね返されて外部に戻って行った。
そう考えれば、あたかも分子の行き来をさえぎる膜があるのと同じです。
ですから、境あたりでも、対象1は対象2と、分子の互いの運動の影響の仕方などが、同じです。

結局全体として、対象1と対象2は同じ、等価と言えます。

確かに、空気の分子一つ一つを見て考えれば、暖かい分子も、冷たい分子も、同じ重さです。
空気では、集団としての空気を考え、その比重をもって振舞いを論じます(論じることができます)。

このことを理解するために、次の思考実験するといいです。

ここに、大気中に周りより暖かい空気の塊があるとします。これが対象1です。
その暖かい空気の塊を風船のように何かの膜で囲ってあるとします。これが対象2です。
勿論、膜の材質の重さはないとします。
対象2が、比重をもって振舞いを論じることが...続きを読む

Q密度の高い気体と低い気体

​http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=2280547​で質問しているものです。質問内容と随分ずれてきたので改めて質問したいと思います。

重い気体(密度が高い気体)は軽い気体に対して沈むという現象は知っているのですが、どうしてそんなことが起こるのでしょうか?重い気体と軽い気体の境界面では何が起こっているのでしょうか?同じ圧力といっても実際は重力を考えると重い気体の下側の方が圧力が高くなっているなんてことは起こっていないでしょうか?

1.縦横高さともに3の立方体に体積1の重い気体と体積26の軽い気体(1分子あたりの原子の数は一緒にしておきます。)を入れます。重い気体は上1/3の真ん中に位置し、両者は理想的な仕切で仕切られています。両者の圧力・温度とも同じとします。
2.同じ立方体に今度は体積9の重い気体と体積18の軽い気体を入れます。今度も両者は理想的な仕切で仕切られており、圧力・温度とも同じです。

底面に重い気体に対する鋭敏なセンサーがあり、1分子でも重い気体が下に到達するとそれを探知します。仕切を気体を動かすことなく(理想的に)取り除きます。

#1と2とでどちらが早くセンサーが鳴りやすいでしょうか?
#重い気体と軽い気体を入れ替えるとどうなるでしょうか?(センサーは軽い気体専用。)

質問内容が全然的はずれかも知れませんが、よろしくお願いします。

​http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=2280547​で質問しているものです。質問内容と随分ずれてきたので改めて質問したいと思います。

重い気体(密度が高い気体)は軽い気体に対して沈むという現象は知っているのですが、どうしてそんなことが起こるのでしょうか?重い気体と軽い気体の境界面では何が起こっているのでしょうか?同じ圧力といっても実際は重力を考えると重い気体の下側の方が圧力が高くなっているなんてことは起こっていないでしょうか?

1.縦横高さともに3の立方体に体積1の重い...続きを読む

Aベストアンサー

# リクエストにお応えして,こちらに書き直します.

なかなかおもしろいですね.
まず,気体分子は通常の温度,圧力では激しく互いにぶつかり合っています.その結果,ある分子に着目したときに,まっすぐに飛べる距離というのは,たとえば常温常圧の空気なら,μmとかそんなもんです.そのくらい飛ぶと,別の分子にぶつかって方向が変わってしまう,ということです.
したがって,分子が拡散によって広がる速度は,分子自体の運動速度,常温常圧の空気なら 300m/s とかそんな程度ですが,それからみると桁違いに遅く,時間のかかる現象なわけです.
したがって,拡散が大きく問題にならない範囲では,気体は互いに混ざりあわない,水と油のような関係で存在していると考えてもいいことになります.ただし,実際に気体が動き始めると対流により撹拌がおこるため,ちょっと話が面倒にはなってくるでしょう.

2 の条件ですが,この場合は拡散による均一化と,重い気体集団の沈降,軽い気体集団の上昇の両方による「撹拌」が同時進行することになるはずです.一方,1の条件では重い方の気体集団がそのまま沈降する(そのときに軽い気体集団は押しのけられるが,周りに余裕があるのでその流動は大きな抵抗を受けないはず)ことになり,おそらくこちらの方が先にセンサーが鳴ることになるでしょう.

重い気体と軽い気体を入れ替えた場合はそれこそ拡散だけですから,べらぼうに時間がかかりますが,単純な拡散方程式の問題とすれば,1次元拡散の2より,1の方が最初の分子の到達は早いような気がします (が,これはちゃんと計算してないので自信なし).

# リクエストにお応えして,こちらに書き直します.

なかなかおもしろいですね.
まず,気体分子は通常の温度,圧力では激しく互いにぶつかり合っています.その結果,ある分子に着目したときに,まっすぐに飛べる距離というのは,たとえば常温常圧の空気なら,μmとかそんなもんです.そのくらい飛ぶと,別の分子にぶつかって方向が変わってしまう,ということです.
したがって,分子が拡散によって広がる速度は,分子自体の運動速度,常温常圧の空気なら 300m/s とかそんな程度ですが,それからみると桁違...続きを読む


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