基本問題232 気体の圧力

ピストンを押したときの気体の圧力

直感的理解
ピストンに力を加えると、その力の分だけ気体の圧力が増加します。ピストンの力のつり合いを考えると、気体の圧力はピストンの上側からかかる力(大気圧+押す力)の合計を断面積で割ったものになります。

設定:断面積 $S = 1.6\;\text{cm}^2 = 1.6 \times 10^{-4}\;\text{m}^2$、押す力 $F = 30\;\text{N}$、大気圧 $p_0 = 1.0 \times 10^5\;\text{Pa}$。

ピストンのつり合い:

ピストンに働く力の釣り合いから、気体の圧力を $p$ とすると:

$$pS = p_0 S + F$$ $$p = p_0 + \frac{F}{S}$$

数値代入:$S = 1.6 \times 10^{-4}$ m² に換算して

$$\frac{F}{S} = \frac{30}{1.6 \times 10^{-4}} = \frac{30}{0.00016} = 1.875 \times 10^5 \text{ Pa}$$

計算:

$$p = 1.0 \times 10^5 + 1.875 \times 10^5 = 2.875 \times 10^5 \fallingdotseq 2.9 \times 10^5 \text{ Pa}$$
答え:
$$p = 2.9 \times 10^5\;\text{Pa}$$
補足:ピストンの重さと気体の圧力

ピストンが鉛直方向に自由に動ける場合、ピストンの重さは常に気体の圧力に加算されます。ピストンが水平の場合は重力が圧力方向に働かないため $p = p_0$ です。

Point

気体の圧力は「大気圧 + 外力による圧力」で求まります。外力による圧力は $\dfrac{F}{S}$ で計算し、単位を Pa に統一するために断面積を m² に変換することを忘れないようにしましょう。
$1\;\text{cm}^2 = 10^{-4}\;\text{m}^2$ の変換が頻出です。