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水蒸気密度の式ー大気中ー

水蒸気の法則として「ボイル・シャルルの法則」に関する記事を書いた。しかし、それは間違いかもしれない。気付いた事は、飽和水蒸気圧と言う意味が蒸気機関の場合の特殊な事例にしか当てはまらない事である。日常生活とは何も関係の無い式を提案した事になる。そこで、大気中即ち1気圧での水蒸気を考えた。それは飽和蒸気圧p(t)は大気中では常にほぼ1気圧であるから、大気中の温度には全く無関係である。そこで、上の水蒸気密度およびその算定式は改めて、気象庁の水蒸気密度のグラフから式を導出した。その計算結果のグラフと式である。データはt=10℃と30℃の値を使い、式を導出した。理論的意味は算定式には無い。ただ、比較的気象庁のデータに近い水蒸気密度の数値が得られる。その気象庁のデータがどの様な意味を持っているかも理解できないまま利用した。大気圧中の飽和水蒸気密度と言う概念も理解できない。また、氷点以下でも水蒸気密度が存在する訳も理解できない。氷点下では氷になると言う水の解釈とどのような整合性を頭の中に取れば良いかが分からない。以上急いで、前回の「水蒸気の法則」の記事の曖昧さに対して、訂正の意味を込めて、ここに記事とした。

水蒸気の法則

(2012/10/01) 追記。p(t) と言う水蒸気圧は大気中に於いては何の意味も持たないのである。大気圧は常に、1013[h Pa](=99.3[N/㎡]) の1気圧前後の値である。大気圧下での水蒸気密度は、水蒸気密度の式ー大気中ーに述べた。

昨日、水蒸気に関する発見的法則を得た。それが上の図式の(9)式である。気体についての古い法則は「ボイルの法則」が有る。物理学理論で、現代は気体に関して「気体分子運動論」が支配している。20世紀の初頭から、気体分子論で運動エネルギーとしてみなす理論が主流となって、現在に至っている。それは『温度』の意味の解釈にも反映し、高等数学に依存した難しい物理学になってしまった。『温度とは何か』が問うもの でボイル・シャルルの法則と温度について述べた。『温度』は物理量ではないと言う認識で、私は捉えている。風とは何か?渦巻の法則。などを考察している内に、『水』の自然現象における重要な意味合いが見えて来た。その結論として、今回の「水蒸気の法則」としての分かり易い数式に到達した。『津波現象』も水の成す大きな自然の姿である。『水』に日常生活でとても大きな関わりを持って生きている。物理学、理科教育で日常生活に関する市民の科学認識の為に、『水』に関する教育が欠かせないと痛感する。

法則としての(9)式の意味 気体分子運動論ではボルツマン定数やアボガドロ定数あるいは1モル等が基礎知識として要求される。しかし(9)式にはそんな物は一切必要ない。水蒸気も気体分子としての自然現象を担う。(9)式はボイルの法則で、圧力と体積の積が 「p×V=一定」の意味に対して、体積 V に相当する物が水蒸気密度 ρ(t) の逆数で入っている。即ち、水蒸気1キログラム当たりの体積がそのVに相当する。温度によって水蒸気の量、質量Kgが変化する訳であるから、逆に水蒸気の単位質量 1Kg 当たりの占める体積が変化する訳である。だから、ボイルの法則の体積 V [㎥] が温度により膨張・収縮する現象を、その密度の逆数として式に含まれていると見做せる。

飽和水蒸気圧と式の修正提案

(2012/10/01) 修正と追記。大変な勘違いで作成したものである為、上のグラフを削除させて頂きます。日常生活に於いて、飽和水蒸気圧と言う概念は存在しません。水が大気圧の下での蒸発現象には p(t) と言う気温t℃における圧力はすべて、1気圧であるから、蒸発現象に影響する圧力の意味は存在しない。すべて大気圧である。なお、密度の数値も間違いである。その事は水蒸気密度の式ー大気中ーに訂正の意味を込めて述べた。

先ず、日常生活での温度範囲の水蒸気圧と水蒸気密度をグラフにした(考慮不足の、早とちりによる間違いですので訂正します)。以降の記事は、『蒸気機関』におけるのボイラー等についての温度と水蒸気の関係の解釈です。密度の算定式で、風とは何かー水と温度ーの記事で、(4)式として一度修正した。上のグラフはさらに、再修正した(5)式による計算数値である。

飽和水蒸気圧算定式の修正 しかしその水蒸気圧算定式の意味で、算定根拠が不明であったり、数値的な修正の必要性を感じる。その修正の必要性を上のように考えた。この修正式での計算値は、少し誤差を伴う。100℃での水蒸気圧は1012.86 [h Pa] 、水蒸気密度は7.41 [Kg/㎥] でほぼ満足する。ただ特異点の「臨界点」374 ℃、225気圧での数値に誤差が大きい。374℃で、水蒸気圧211気圧、密度902 [Kg/㎥] となり、1 [ton/㎥] と比較して誤差が少し大きい。しかし、ほぼ実用的には満足できる算定式と考える。

修正第2式 水蒸気圧の式が常用対数形である。自然現象の計算では、自然対数形が多い。自然定数での計算が基本計算となっているから、それに合わせて水蒸気圧算定式をもう一度修正した。p(t)=9.37e^(17.475×αt/(αt+1))^ [h Pa]  を提案する。t=374 ℃の臨界点でも225気圧、密度が961.9 [Kg/㎥] と標準値に近い。飽和水蒸気圧についてITで検索した算定式を基に考察を加えて、式の修正をして来た。数式で現象を表現する場合、その次元を常に考える。今回の水蒸気圧等の数式はその次元で不明な事が多い。そこで『次元解析』としてその次元を考えた。

地磁気とコンパス

【投稿日2012/09/13】

(2019/07/12)追記。なぜこの記事も表題が小さく、標準形式でなくタグ類が示されないのか。地球表面に流れているエネルギ―流が地磁気の本質であることを理解することが電気磁気学の新しい学習の方向性に重要である。

地磁気とは何か?(2019/07/13)以下の修正追記。 地球は一つの磁石でもある。こんな大きな星が磁石の特性を保持している。何故かと不思議である。しかし、その物理的解釈が得られているとは思わない。地球の北極に磁石のS極が、南極に磁石のN極が張り付いている訳ではない。地球の中心にマグマの電流(電子の逆流でも無かろう)が流れている訳でもない。磁界は磁束概念で捉えているが、そんな磁束と言う自然界の物理量が有る訳ではなく、技術量でしかない。厳密に考えれば、人間の解釈上の評価量でしかない。実在する自然界の物理量ではない。しかし、現実に磁気と言う解釈で捉えて、実に都合よく便利な解釈法である事には変わりない。特に大洋を航海する船にとって、方位を知る事が安全上欠かせない。コンパスが常に北極を指し示すことの意義は大きなものである。そこで、地磁気の本当の意味は何か。その現象をどう解釈すべきか。さらにコンパスが何故北を指すか。そんな疑問は誰もが抱くであろう。教科書には、当然の如く物理学理論の常識として、磁気概念から説き起こされて、解説されている。磁気とは何かとは問わない。その空間像を問わないでは本当の『磁気』の意味の解説には成らない。電荷や電流の概念が、厳密に考えれば、その存在は曖昧な物理概念である事と同じく、磁気の本質も厳密に認識できないのである。磁気が有ると考えるのが、当たり前と言うのが常識的な答え方である。ところが磁気とはどの様なものかとその空間像をあまり追究しない。コンパスが地球の北を指す事実は間違いのない真理である。コンパスが北を指す現象の物理的解釈を物理学教科書で説明しているだろうか。磁束あるいは磁力線が地球の表面を北向きに存在するから、コンパスのそれと繋がる空間像で捉え易いから、それで充分理に適っているとしているのだろう。しかし、その解釈法で十分とするのは、磁束や磁力線はあくまでも科学技術概念でしかないにも拘らず、単純で理解しやすいからである。ただ自然の基本はとても単純であり、複雑な多くの概念の重層構造に見えるのは、人がそのように解釈理論を作り上げているからに過ぎない。自然の本質に迫れば、より単純な基礎概念『エネルギー流』に基づく解釈法で認識するのが結局は心に納得しやすい筈だ。それは電気磁気学理論の矛盾を排除した観点からの、総合的解釈として纏めたものである。地球表面のエネルギー流である。そこにはまだ不可思議が残っている未知の解き明かしの魅力も含んでいる。何故地球等の惑星はみんな同じ方向を公転し自転しているかの訳が理解できない。地球を回すエネルギー流のある一面が地磁気として認識されるものと見做せよう。太陽系全体の回転空間エネルギ―分布がその謎を握っているように思えて仕方がない。その意味での認識を現したのが図である。図の①のように西から東向きにエネルギーが流れていると解釈する。偏西風と同じように。その地表面のエネルギー流の密度分布がどの様であるかは分からない。一つの捉え方として、②のように解釈したい。データを検証しなければ、科学論としては認証され、理解される事はない。しかし、実在しない磁束と言う概念で解釈しようとしても、100年経っても本質には迫れない。

コンパスが何故北を指すか? オリエンテーリング用のコンパスが手元にあった。理科実験用のものもある。その写真も示しておこう。地磁気の解釈にはいろいろの話が付きまとう。渡り鳥に関連付けたりしたくなるのもやむを得なかろう。それ程コンパスが方位を指し示す確実性は見事だと思う。そこで地表面のエネルギー流で、何故コンパスが北を指し示すかという理由になる。そこには「磁石・コンパス」の磁気的意味を解釈しなければならない。当然ながら、コンパスも地球と同じく周りにエネルギー流が存在すると解釈しなければならない。磁界・磁気概念の本質で、そのエネルギー流の方向性は説明してある。序でにコンパスのエネルギー流も再び示しておきましょう。コンパスのエネルギー流と地磁気のエネルギー流とが干渉すると、どんな力が働くかと言う『問答』になろう。大河の流れに直角に水を流し込んだ時、どんな流れに成るかと同じ考え方で捉えて良かろう。その様子を、コンパスに働く「回転トルク」として、簡単な図に表した。

エネルギー流間の近接作用力 地球表面のエネルギー流とコンパスのエネルギー流の間で、相互作用力が働く。この作用の力は『近接作用力』である。万有引力のような離れた物同士に働くと定義する『遠隔作用力』とは異なる。私は全ての力は『近接作用力』と解釈している。それがこの図で解釈するコンパスに働く「回転力」であり、トルクと言う。コンパスの指す方向は地表表面のエネルギー流とコンパスのエネルギー流との間に働くエネルギー流間の相互作用力が生じる。その結果地磁気のエネルギー流に直交して安定に成る。そのコンパス周りの合成エネルギー流は、コンパスの下側で僅かに密度が大きくなると解釈する。地磁気は、古くから測定されているようだ。その測定値は時間的、季節的にも変動するようだ。また伏角も同様に変動するらしい。机上で観測すると、北緯36度のここでも、必ずしも指針方向は下向きに成っていない。観察すると、伏角が逆に仰角の上向きになっている。