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問2：空気塊の温度と水蒸気量
空気塊の温度と水蒸気量に関連する物理量について述べた次の文(a)～(d)の正誤の組み合わせとして正しいものを、下記の①～⑤の中から1つ選べ。ただし、空気塊の中に水粒子や氷粒子は存在しないものとする。
(a) 温度と気圧が同じであれば、湿潤空気塊は乾燥空気塊より密度が大きい。
(b) 湿潤空気塊を気圧一定のもとで加熱した場合、混合比は加熱後も加熱前と同じである。
(c) 温度が同じであれば、混合比が大きい空気塊の方が仮温度は高い。
(d) 飽和水蒸気圧は、温度が同じであれば空気塊の気圧に反比例し、気圧が高いほど値が小さい。
| (a) | (b) | (c) | (d) | |
| ① | 正 | 正 | 正 | 誤 |
| ② | 正 | 誤 | 誤 | 誤 |
| ③ | 誤 | 正 | 正 | 誤 |
| ④ | 誤 | 正 | 誤 | 正 |
| ⑤ | 誤 | 誤 | 正 | 正 |
③ （a）誤, （b）正, （c）正, （d）誤
(a) 湿潤空気と乾燥空気の密度について
(a) 温度と気圧が同じであれば、湿潤空気塊は乾燥空気塊より密度が大きい。
(a)は誤りです。
温度と気圧が同じ場合、湿潤空気塊の方が乾燥空気塊よりも密度が小さく（軽く）なります。
水蒸気（H2O）の分子量は約18ですが、乾燥空気（窒素や酸素など）の平均分子量は約29です。
空気の中に重い乾燥空気の分子を押しのけて、軽い水蒸気の分子が入り込んでくるため、湿った空気の方が軽くなります。
(b) 加熱による混合比の変化について
(b) 湿潤空気塊を気圧一定のもとで加熱した場合、混合比は加熱後も加熱前と同じである。
(b)は正文です。問題文の通り、混合比は加熱後も変わりません。
混合比とは「乾燥空気の質量に対する水蒸気の質量」の割合のことです。
問題の前提に「水粒子や氷粒子は存在しない（水蒸気が水や氷に変わらない）」とあるため、温められて空気塊が膨張しても、中の乾燥空気と水蒸気の全体の重さの比率は変わらないためです。
(c) 混合比と仮温度の関係について
(c) 温度が同じであれば、混合比が大きい空気塊の方が仮温度は高い。
(c)は正文です。問題文の通り、混合比が大きい（水蒸気が多い）ほど仮温度は高くなります。
仮温度とは「湿潤空気と同じ密度・気圧を持つ、カラカラに乾いた空気の温度」のことです。
(a)で説明した通り、湿潤空気は軽いため、乾燥空気をそれと同じくらい軽く（密度を小さく）するためには、温度を高くして膨張させる必要があります。そのため、水蒸気が多いほど仮温度は高く見積もられます。
(d) 飽和水蒸気圧と気圧の関係について
(d) 飽和水蒸気圧は、温度が同じであれば空気塊の気圧に反比例し、気圧が高いほど値が小さい。
(d)は誤文です。飽和水蒸気圧は、空気塊の気圧には関係なく、温度だけで決まります。
飽和水蒸気圧（空気が含むことができる水蒸気の限界量）は、温度が高くなるほど大きくなり、温度が低くなるほど小さくなります。
周囲の気圧が高くなったり低くなったりしても、温度が変わらなければ飽和水蒸気圧の値は変化しません。
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