物理苦手でも気象予報士試験に合格したい！#16　理想気体の状態方程式

こんにちは、まさごんです。
気象予報士試験の合格を目指すべく、日々の勉強内容を記録しています。
基本的には前日夜にインプットした内容を、朝一番にnoteにまとめて復習する、というサイクルで学習を回しています。

勉強内容

今回は理想気体の状態方程式について学習しました。
方程式という名前だけあって数式がふぇてきますが、大気の状態を知るうえで必須となる重要な式です。空気の温度を上げると気圧はどう変わるか、などを学習しました。

学習ポイント①：理想気体

まず、利息気体の状態方程式は P ＝ ρ R T （P：気圧、ρ：密度、R：気体定数、T：絶対温度）で表されます。絶対温度とは、離村上、最も低い温度を０K（ぜろケルビン）とした温度のことで、我々がよく使う摂氏（℃）で表すと、０K＝ー２７３℃となります。なので絶対温度は、摂氏に２７３を足すと換算できます。
また気体定数とは、気体などによって定められた値で、この値は変わりません（定数）。乾燥空気（水蒸気を含んでいない空気）の気体定数は２８７ｍ^2/ｓ^2・Ｋとなっています。
では状態方程式は何を表す式かというと、気圧とは密度と気体定数と絶対温度をかけたものなので、気圧の値が大きくなるためには、密度か絶対温度（あるいは両方）が大きくなる必要がある、ということを示しています。

気体を一定とした場合、密度と絶対温度は反比例の関係にあります（反比例とは、どちらか片方が大きくなると、もう片方は小さくなる関係のことです）。つまり、密度が大きくなると、絶対温度は低くなり、逆に絶対温度が高くなると密度は小さくなります。言い換えると、暖かい空気は軽く（密度が小さい）、冷たい空気は重い（密度が小さい）のです。

学習ポイント②：ボイルの法則

また、絶対温度を一定とした場合、気圧と密度が比例の関係にあります（比例とは、どちらか片方が大きくなると、もう片方も同じように大きくなる、という関係です）。絶対温度を一定にした場合、気圧が低いと密度も低く、気圧が高いと密度も高くなります。言い換えると、軽い（密度が小さい）空気は気圧が高く、重い（密度が小さい）空気は気圧が低いのです。これをボイルの法則といいます。

気づいたこと

今までの投稿で、当たり前のように暖かい空気は軽いので上昇する、といっていましたが、原理を掘り下げるとこのような式から成り立っています。この式は気象学の最初の段階で学ぶのですが、まとめるのが遅くなってしまいました。しかしまとめるとやはり復習になります。気象予報士の試験問題にはこの式を使って解く物理の問題が出るので、式だけ覚えていても油断はできないのですが、天気の基本ともいえる式ですので覚えていて損はありません。

ありがとうございました。