高圧ガス製造保安責任者 乙種機械　⑦ 学識1：気体熱力学・燃焼・流動伝熱

正解：D．1.2 m³

ボイル・シャルルの法則より、V2 = 1.0 * (87+273)/(27+273) = 1.2 m³となります。摂氏温度をそのまま用いるのは誤りです。

正解：C．気体の内部エネルギーの増加量に等しい

定容変化（体積変化ゼロ）では外部仕事をしないため、加えた熱量はすべて内部エネルギーの増加となります。

正解：D．3の1.4乗倍

可逆断熱変化では pV^γ = 一定 が成り立ちます。p2/p1 = (V1/V2)^γ = 3^1.4 倍となります。

正解：A．内部エネルギーは変化せず、加熱した分だけ外部に対して仕事をする

等温変化では温度が変わらないため内部エネルギーは変化しません。加えた熱量は全て外部への仕事となります。

正解：A．3.0倍

絶対温度に変換して考えます。(546+273)/(0+273) = 819/273 = 3倍となります。

正解：B．0.4 mol

物質量(mol) = 質量(g) / 分子量 で求められます。17.6 / 44 = 0.4 molです。

正解：D．エンタルピーの増加量

定圧変化で加えられた熱量Qは、内部エネルギーの増加量ΔUと外部への仕事pΔVの和、すなわちエンタルピーの増加量ΔHに等しくなります。

正解：D．60 kPa

ドルトンの分圧の法則により、全圧は各成分の分圧の和となります。100 - 40 = 60 kPaです。

正解：D．気体が外部へ仕事をするため、内部エネルギーが減少し温度が下がる

断熱変化では外部との熱の出入りがないため、膨張による外部仕事は内部エネルギーの減少（温度低下）によってまかなわれます。

正解：B．直角双曲線状の曲線

等温変化では pV = 一定 が成り立つため、pとVは反比例の関係となり、グラフは曲線（直角双曲線）になります。

正解：D．気体定数

Rは気体定数（約8.31 J/(mol・K)）を表します。

正解：C．変化しない

理想気体の内部エネルギーは温度のみに依存するため、温度が一定であれば変化しません。

正解：A．モル質量

mは気体の質量(g)、Mはモル質量(g/mol)を表します。

正解：B．ケルビン (K)

質量のSI基本単位はキログラム(kg)です。JやPaはSI組立単位です。K（ケルビン）はSI基本単位です。

正解：D．kg/(m・s²)

Pa = N/m² = (kg・m/s²)/m² = kg/(m・s²) となります。

正解：C．10の6乗

M（メガ）は10^6を表します。10^9はG（ギガ）、10^3はk（キロ）です。m（ミリ）は10^-3です。

正解：D．200 kJ

仕事量 = 圧力 × 断面積 × 距離 = 1.0×10^6 Pa × 0.2 m² × 1.0 m = 2.0×10^5 J = 200 kJ。単位のゼロの数に注意。

正解：C．25%

カルノーサイクルの熱効率 η = 1 - T2/T1 = 1 - 300/400 = 0.25 (25%) となります。

正解：A．10の-6乗 m²

1 mm = 10^-3 m なので、(10^-3 m)² = 10^-6 m² となります。

正解：C．100℃の物体と0℃の物体が接触して等しい温度になる過程

温度差のある物体間の熱移動は自発的に元に戻ることはないため、不可逆過程です。

正解：C．気体が外部に対してした仕事

Wは気体が膨張するなどして外部になした仕事（pΔV）を表します。

正解：B．kg・m²/s²

J = N・m = (kg・m/s²)・m = kg・m²/s² となります。

正解：A．200 kJ

Q = mcΔT = 2.0 kg × 1.0 kJ/(kg・K) × (150 - 50) K = 200 kJ。

正解：C．作動流体の種類に依存せず、高熱源と低熱源の温度のみによって決まる

可逆カルノーサイクルの熱効率は高温と低温の熱源の温度のみで決まり、η = 1 - (T2/T1) で表されます。100%にはなりません。

正解：A．1 - Q2/Q1

熱機関が外部に行う仕事はW = Q1 - Q2 であり、熱効率 η = W / Q1 = (Q1 - Q2) / Q1 = 1 - Q2/Q1 となります。

正解：C．196 J

仕事 = mgh = 10 kg × 9.8 m/s² × 2 m = 196 J。

正解：D．1 : 2.4（約2 : 5）

水素と酸素の化学量論組成は2:1です。空気中の酸素濃度を約21%とすると、必要な空気量は酸素量の約4.76倍なので、水素：空気は2:4.76、すなわち約1:2.4（約2:5）となります。

正解：A．5 mol

燃焼反応式: C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O より、酸素は5mol必要です。

正解：D．可燃性ガスは還元性、支燃性ガスは酸化性である

燃焼は酸化反応であり、酸素等の支燃性ガスが酸化剤（酸化性）、可燃性ガスが還元剤（還元性）として働きます。

正解：B．周囲への熱損失があるため、実際の火炎温度は断熱火炎温度より低くなる

実際の燃焼では周囲への放熱、未燃分、解離などの影響があるため、理論値である断熱火炎温度より低くなるのが一般的です。

正解：C．化学量論組成付近のとき

火炎の伝ぱ速度である燃焼速度は、過不足なく反応する化学量論組成付近で最大（最速）となります。

正解：B．未燃焼ガスが衝撃波により圧縮されて高温となり、火炎が超音速で伝ぱする

爆ごうは衝撃波の圧縮加熱によって反応が進むため、音速を超える速度で火炎が伝ぱする極めて激しい爆発です。

正解：B．6.5 mol

反応式: C4H10 + (13/2)O2 → 4CO2 + 5H2O より、13/2 = 6.5 molの酸素が必要です。

正解：C．可燃性ガスと支燃性ガスが、あらかじめ混合された状態で燃焼する場合

可燃性ガスと酸素（空気）が事前に混合されている場合の燃焼を予混合火炎と呼びます。別々に供給される場合は拡散火炎です。

正解：B．放電エネルギーが可燃性混合ガスの最小発火エネルギー以上であること

発火を起こすには、火花などのエネルギーがガスの最小発火エネルギーを上回っている必要があります。

正解：B．3.5 mol

反応式: C2H6 + (7/2)O2 → 2CO2 + 3H2O より、7/2 = 3.5 molの酸素が必要です。

正解：A．酸素中の方が窒素を含まないため温度が高くなる

空気中では約79%を占める窒素が加熱されるために熱が奪われ、純酸素中よりも火炎温度が低くなります。

正解：B．化学反応には関与しない不活性ガスとして振る舞う

希ガスは極めて安定しており、燃焼などの化学反応には関与しません。

正解：D．管の長さ

レイノルズ数 Re = D・ū・ρ / μ であり、内径D、平均流速ū、密度ρ、粘度μから求めます。管の長さLは関係ありません。

正解：B．2倍

層流の場合、流速分布は放物線を描き、中心の最大流速は平均流速の2倍となります（平均流速は最大流速の1/2）。

正解：A．2乗

ファニングの式 Δp = 4f・(ū²/2)・(L/D)・ρ より、乱流時の摩擦損失は平均流速ūの2乗に比例します。

正解：B．2乗

流量 q = ū・(πD²/4) なので、ū = 4q / (πD²) となり、流速は内径Dの2乗に反比例します。

正解：A．エネルギー保存則

ベルヌーイの定理は、定常流れにおける流体の運動エネルギー、位置エネルギー、圧力エネルギーの和が一定であるというエネルギー保存則です。

正解：A．4乗

ステファン・ボルツマンの法則 E = ε・σ・T^4 より、絶対温度Tの4乗に比例します。

正解：B．固体壁の厚さ

式に固体壁の厚さは含まれていないため、実測において装置の熱貫流率を求める際には不要です。

正解：A．揮発性（沸点）

蒸留は、熱を加えて揮発しやすい（沸点の低い）成分を気化させ、それを冷却して分離する操作です。

正解：A．アルミニウム

熱伝導率は アルミニウム ＞ 黄銅 ＞ 炭素鋼 の順に大きくなります。

正解：C．吸着塔の操作圧力を変えることで、吸着と脱着を交互に行いガスを分離する

PSA(Pressure Swing Adsorption)は圧力変化を利用して吸着剤への吸着・脱着を制御する分離法です。

正解：D．操作温度を下げる

気体の液体への物理的な溶解度は、一般に温度が低いほど、圧力が高いほど大きくなります。したがって操作温度を下げることが有効です。

正解：C．壁面の面積が大きく、壁の厚さが薄いとき

伝熱速度 Φ = k・A・ΔT / L より、面積Aに比例し、厚さLに反比例します。