気体の振る舞いを支配する基本法則(ボイル・シャルル・ヘンリー・ラウール・PV=nRT等)を学ぶ章です。
ガス工業のすべての計算問題の基礎となる17節構成。
乙種・甲種兼用 / 全17節 / 学習目安: 60〜90分
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1. 物質の三態と潜熱・顕熱
重要度: 乙B / 甲B
🎯 一言で
状態が変わるときに使う熱(潜熱)と、温度を上げ下げするときに使う熱(顕熱)を区別する。
📖 解説(乙種ベース)
水を例にとります。氷を熱すると、まず氷の温度が上がっていきます。これは温度を変えるための熱、つまり顕熱です。やがて0℃に達すると、不思議なことに氷が水に変わっている間は熱を加えても温度は0℃のままです。この時に使われている熱が、状態を変えるための熱、つまり潜熱(融解潜熱)です。さらに加熱すると水の温度が上がり(顕熱)、100℃に達すると今度は沸騰して水が水蒸気に変わる間も温度は100℃のまま(蒸発潜熱)。
つまり、温度計が動いているときが顕熱、温度計が止まっているときが潜熱。これがガス主任試験で繰り返し問われる本質です。
| 計算 | 関係 |
|---|---|
| 顕熱 | Q = m × c × ΔT(質量 × 比熱 × 温度差) |
| 蒸発潜熱 | 単位は kJ/kg(水は約2,260 kJ/kg、非常に大きい) |
ガス工業との関係: LPGがボンベから出てくるときは液体→気体の変化(蒸発)で、周囲から蒸発潜熱を奪うためボンベが冷たくなります。
⚡ 焦点ポイント
「潜熱では温度計が動かない」のイメージが最重要。融解中も蒸発中も温度は一定です。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 【最頻出】 「温度が変化しないのに熱が不要」という誤選択肢に注意。状態変化中は温度一定でも熱は必要。
- 「潜熱では温度計が動かない（温度一定）」のイメージが最重要
- 選択肢で「融解中は温度が上昇する」とあれば誤り
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
2. 蒸気の状態(湿り蒸気・乾き蒸気・過熱蒸気)
重要度: 乙C / 甲C
🎯 一言で
液体と蒸気が共存している状態(湿り蒸気)、全部気体になった状態(乾き飽和蒸気)、さらに加熱した状態(過熱蒸気)の3段階を区別する。
📖 解説(乙種ベース)
やかんでお湯を沸かしている場面を想像してください。沸騰し始めたばかりの蒸気は、湯気のように水滴を含んでいます。これが「湿り蒸気」。やかんの口を離れて少し時間が経つと、水滴が蒸発しきって透明になります。これが「乾き飽和蒸気」。さらに加熱して水滴のない蒸気の温度を上げると「過熱蒸気」になります。
専門的に言うと、湿り蒸気の中の気相の割合を乾き度xで表します。x=0なら全部液体(飽和液)、x=1なら全部蒸気(乾き飽和蒸気)、その間が湿り蒸気です。
⚡ 焦点ポイント
「乾き度x=1が乾き飽和蒸気、x=0が飽和液」の定義を正確に。「過熱蒸気は飽和温度より高い温度」も正文として頻出。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 乾き蒸気＝「乾いている（水分ゼロ）」の意味。「湿り」「乾き」の語感で正誤を間違えやすい。
- 「高い」が「低い」に書き換えられる(方向の逆転)
- その他の傾向: 解説本文で太字のキーワードが類義語(似た用語・近い数値)に置き換えられる / 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
3. 蒸気圧と沸点
重要度: 乙C / 甲C
🎯 一言で
液体の飽和蒸気圧が外圧と等しくなったら沸騰する。だから外圧が変われば沸点も変わる。
📖 解説(乙種ベース)
液体の表面では、常に分子が気体に飛び出そうとしています。密閉容器に入れておくと、飛び出す分子と液体に戻る分子が釣り合って、気体の圧力が一定になります。この圧力が飽和蒸気圧です。
「沸騰する」というのは、液体の中からも気体が湧き出す現象。これは飽和蒸気圧が外の気圧と等しくなった瞬間に起こります。だから、外圧が下がる(山の上)とより低い温度で沸騰し、外圧が上がる(圧力鍋)とより高い温度まで沸騰しません。
ガス工業で重要なのは、各ガスの沸点です。これが寒冷地でブタンが使いにくい理由を直接説明します。
| ガス | 沸点(大気圧下) | 寒冷地での挙動 |
|---|---|---|
| メタン CH4 | -162℃ | 通常の冷気では液化しない |
| プロパン C3H8 | -42℃ | 厳冬地でも気化する |
| ブタン C4H10 | -1℃ | 0℃以下で気化困難 |
🟦 甲種プラスα
蒸気圧と温度の関係は クラウジウス-クラペイロン式 で表されます。
ln(p₂/p₁) = -ΔHvap/R × (1/T₂ - 1/T₁)
甲種では概念問題として「クラウジウス-クラペイロン式が示す関係」を問われます。
⚡ 焦点ポイント
プロパン -42℃、ブタン -1℃ は寒冷地問題で頻出。寒冷地でブタンが使いにくい理由は沸点が約 -1℃で冬期に気化しにくいから。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 蒸気圧は温度が上がると増加する（指数的に）。「温度↑ → 蒸気圧↑ → 沸点↑」ではなく、外圧が固定なら温度↑で早く沸点に達する。
- 「42℃」が「47℃」「37℃」と書き換えられる
- その他の傾向: 解説本文で太字のキーワードが類義語(似た用語・近い数値)に置き換えられる
4. ボイルの法則
重要度: 乙C / 🟦 甲B
🎯 一言で
温度を変えずに気体を圧縮すると、体積は圧力に反比例して小さくなる。
📖 解説(乙種ベース)
風船を手で押すと、中の空気は同じ温度のまま体積が小さくなります。このとき圧力と体積の関係は反比例で、PV = 一定 という単純な式で表されます。
| 観点 | 内容 |
|---|---|
| 数式 | P₁V₁ = P₂V₂(等温変化) |
| 直感 | 圧力2倍 → 体積1/2、圧力3倍 → 体積1/3 |
| 注意 | Pは絶対圧(真空を0とする) |
試験で最も多い失点ポイントは、表圧(ゲージ圧)と絶対圧の混同です。絶対圧 = 表圧 + 大気圧 ≒ 表圧 + 101.325 kPa。
🟦 甲種プラスα
甲種では 等温膨張の仕事 が出題されます。W = nRT × ln(V₂/V₁)。ln(2)=0.693、ln(3)=1.099 を覚えておくと計算が速くなります。
⚡ 焦点ポイント
計算で「表圧→絶対圧の変換忘れ」が最頻出のミス。「ゲージ圧」とあれば必ず +101.325 kPa して絶対圧へ変換。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 絶対圧と gauge 圧（ゲージ圧）の混同。問題文に「ゲージ圧」とあれば +101.325 kPa して絶対圧に変換してから計算。
- 「ボイルの法則は等温変化」「P と V は反比例」は確実に覚える
- 計算問題では表圧→絶対圧の変換（+大気圧）を忘れないこと
- その他の傾向: 解説本文で太字のキーワードが類義語(似た用語・近い数値)に置き換えられる / 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
5. シャルルの法則
重要度: 乙C / 甲C
🎯 一言で
圧力を変えずに気体を温めると、体積は絶対温度(K)に比例して大きくなる。ケルビンで計算するのが鉄則。
📖 解説(乙種ベース)
風船を熱湯につけると膨らみます。これは圧力(大気圧)を一定に保ったまま温度を上げているので、体積が温度に比例して増えます。シャルルの法則の式は V/T = 一定、つまり V₁/T₁ = V₂/T₂。
ここで重要なのは、Tが絶対温度(ケルビン) であること。摂氏のままだと0℃のときに「V/0=無限大」のような無意味な値になってしまいます。絶対温度 T[K] = t[℃] + 273.15(試験では+273でOK)。
⚡ 焦点ポイント
シャルルの法則のTは絶対温度(K)。摂氏のまま代入すると致命的ミス。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- シャルル「体積と温度の比例」vs ボイル「体積と圧力の反比例」——名前と法則の組み合わせを正確に。
- 「シャルルの法則は等圧変化」「V と T（絶対温度）は比例」を確実に覚える
- 計算で最もやりがちなミスが「℃をそのまま使う」こと
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
6. ボイル・シャルル
重要度: 乙B / 甲C
🎯 一言で
圧力・体積・温度がすべて変化しても、PV/T = 一定(モル数が変わらないことが条件)。
📖 解説(乙種ベース)
ボイル(等温)とシャルル(等圧)を組み合わせた、より一般的な状態変化の式です。気体の状態が「状態1」から「状態2」へ移ったとき、P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ が成り立ちます。
計算の手順は決まっています。
1. 圧力を絶対圧に変換(+大気圧)
2. 温度をケルビンに変換(+273)
3. 式に代入して未知数を求める
順番を守れば計算問題は機械的に解けます。試験では「圧縮後の体積」または「加熱後の圧力」を求める問題が定番です。
計算例: 100kPa, 30 m³, 300K の気体を 400kPa, 400K にしたときの体積
100×30/300 = 400×V₂/400 → V₂ = 10 m³
⚡ 焦点ポイント
絶対圧変換と絶対温度変換の両方が必要。乙種で最も多い計算は「圧縮後の体積を求める」問題。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- mol 数が変化する問題（気体の出入りがある系）にはこの式は使えない。そのときは PV=nRT を使う。
- 「PV/T = 一定（mol 数が変わらない場合）」は確実に覚える
- 計算では絶対圧変換（+大気圧）と絶対温度変換（+273）の両方が必要
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
7. 気体の状態方程式 PV=nRT ★乙・甲ともに最重要
重要度: 乙A / 甲A
🎯 一言で
理想気体の4変数(P・V・n・T)を結ぶ万能方程式。これを使えばモル数の関係が絡む計算もすべて扱える。
📖 解説(乙種ベース)
ボイル・シャルルは「同じ気体の状態が変わるとき」の式でしたが、PV=nRT は モル数 n まで含めた一般的な式です。気体定数Rが入ることで、気体の量(モル)から圧力・体積・温度の関係が一意に決まります。
PV = nRT P: 絶対圧 [Pa] V: 体積 [m³] n: モル数 [mol] R: 気体定数 8.314 J/(mol·K) T: 絶対温度 [K]
この式から導かれる重要な事実が、標準状態(0℃・1気圧)で1モルの理想気体は22.4Lの体積を持つこと。これは丸暗記してください。
ガス計算で扱う密度は、PV=nRTを変形すると ρ = m/V = PM/(RT)(M は分子量)。圧力↑または温度↓で密度は大きくなります。
🟦 甲種プラスα
甲種では 混合気体の密度・分子量計算 が応用問題として出ます。平均分子量 = Σ(各成分の分子量 × モル分率) を使って混合ガスの密度を計算します。
⚡ 焦点ポイント
「絶対圧」「絶対温度」が大前提。ゲージ圧・摂氏のまま代入は致命的。標準状態で1mol=22.4Lはそのまま暗記。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 【近年トレンド】 温度を摂氏で代入するミスが最多。必ず T[K] = t[℃]+273 に変換。圧力も絶対圧で代入すること（ゲージ圧に注意）。
- PV = nRT は「P は絶対圧・T は絶対温度」が大前提
- ゲージ圧・摂氏のまま代入は致命的ミス
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
8. 混合気体とドルトンの分圧法則 ★乙・甲ともに最重要
重要度: 乙A / 甲A
🎯 一言で
混合気体の全圧は、各成分が単独で同じ容器を占めたときの圧力(分圧)の合計。各成分の分圧は 全圧×モル分率 で計算できる。
📖 解説(乙種ベース)
メタンとプロパンが混ざった気体を考えます。それぞれのガスは互いに干渉せず、自分だけが容器を占めているかのように振る舞います。これがドルトンの分圧法則です。
Ptotal = p₁ + p₂ + p₃ + ...、各成分の分圧 pᵢ = Ptotal × xᵢ(xᵢはモル分率)
理想気体では「体積分率 = モル分率」が成り立つので、たとえば「都市ガスのメタン89%」と書かれていれば、それはモル分率0.89でもあるし、体積分率0.89でもあります。重さの比率(質量分率)とは別物なので、ここを混同すると致命的です。
🟦 甲種プラスα
甲種では 混合ガスの発熱量計算 が直接の応用です。混合ガスの発熱量 = Σ(各成分の発熱量 × モル分率) を使って、都市ガス13Aの発熱量計算などが出ます。
⚡ 焦点ポイント
「全圧 = 分圧の和」「分圧 = 全圧 × モル分率」の2式。「理想気体では体積% = モル%」もセット。
【最多ミス】 質量から計算するときは必ず「質量÷分子量」でモル数に変換してから比をとる。
例: R02乙問2: プロパン44g + 窒素28g → どちらも1mol → モル比1:1 → 全圧300kPaなら各分圧150kPa。質量比3:2のまま分圧計算すると失点する。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 【近年トレンド】 質量分率とモル分率は異なる。問題が「質量で〇〇g ずつ」と言っているなら、まず mol に変換してからモル分率を計算する。
- 「気体」が「液体」に書き換えられる(方向の逆転)
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
9. 理想気体と実在気体の違い
重要度: 乙B / 甲C
🎯 一言で
理想気体は「分子間力ゼロ・分子の体積ゼロ」と仮定した仮想モデル。実在気体は高圧・低温で理想からずれる。
📖 解説(乙種ベース)
理想気体は完璧な数学モデルで、分子同士は互いに引き合わず(分子間力ゼロ)、分子自身も大きさを持たない(体積ゼロ)と仮定されています。だから PV=nRT が単純に成り立ちます。
ところが実際の気体(実在気体)は分子間力もあるし、分子自身も体積を持っています。だから:
– 高圧になると分子同士が近づき、分子間力や分子体積が無視できなくなる
– 低温になると分子の熱運動が弱まり、引力の影響が相対的に大きくなる
逆に高温・低圧では分子間距離が大きく、分子の運動が活発なので、実在気体も理想気体に近い振る舞いをします。水素やヘリウムは分子量が小さく分子間力も弱いため、広い温度・圧力範囲で理想気体に近いとされています。
⚡ 焦点ポイント
「理想気体に最も近い条件は?」と問われたら 高温・低圧。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 「理想気体は実在しない仮想モデル」。試験で「理想気体に最も近い条件は？」と問われたら、高温・低圧を選ぶ。
- 「理想気体の仮定：分子間力なし・分子体積なし」の2点を確実に覚える
- 「高圧・低温で理想気体からのずれが大きい」「高温・低圧で理想気体に近い」は頻出正文
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる/数値・用語が類似のものに差し替えられる
10. ファン・デル・ワールス式
重要度: 乙B / 🟦 甲A
🎯 一言で
実在気体の補正方程式。分子間引力(a/V²)と分子自身の体積(b)の2つの補正項を追加することで、PV=nRTのずれを補正する。
📖 解説(乙種ベース)
理想気体の状態方程式 PV=nRT は、高圧・低温では実在気体からずれます。このずれを補正するのがファン・デル・ワールス式です。
(P + a/V²)(V − b) = RT (1モル基準)
2つの補正項の意味:
| 補正項 | 役割 | なぜそうするか |
|---|---|---|
| a/V²(P側に加算) | 分子間引力の補正 | 分子同士が引き合うため実際の圧力は理想より低い。その分を「もし引力がなかったら」の値に足し戻す |
| b(V側から減算) | 分子体積の補正 | 分子自身の大きさを除いた「動ける空間」を実効体積として使う |
🟦 甲種プラスα
甲種では各定数の意味と方向性を問う選択肢問題が頻出。aが大きい=分子間引力が強い、極性が強い、水素結合あり(H₂O、NH₃、HF)。bが大きい=分子サイズが大きい、分子量が大きい(大型炭化水素)。圧力補正は加算、体積補正は減算。
⚡ 焦点ポイント
「a/V² は P に加算(引力補正)」「b は V から減算(体積補正)」の方向を正確に。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 圧力補正は（加算）、体積補正は（減算）。符号を逆にした選択肢が引っ掛けとして登場する。
- 「(P + a/V²)(V − b) = RT」の式の形と各項の意味を押さえる
- 「a/V² は引力補正（Pに加算）」「b は分子体積補正（Vから減算）」の方向を確認
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
11. 圧縮係数 Z
重要度: 乙C / 🟦 甲A
🎯 一言で
実在気体が理想気体からどれだけずれているかの無次元指標。Z=1なら理想気体、Z<1は分子引力支配、Z>1は分子反発支配。
📖 解説(乙種ベース)
ファン・デル・ワールス式は方程式自体を修正しましたが、別のアプローチとして「補正係数を1つかける」 やり方があります。それが圧縮係数Zです。
Z = PV / (nRT) PV = ZnRT (実在気体の状態方程式)
Z=1なら理想気体。実在気体ではZが1からずれます。
| Zの値 | 何が支配的か | 起こる条件 |
|---|---|---|
| Z<1 | 分子間引力が支配的 | 中圧・低温 |
| Z>1 | 分子の排除体積が支配的 | 超高圧 |
🟦 甲種プラスα
実用的にはZの値はネルソン-オタ線図(コンプレッシビリティチャート) から温度・圧力の対比換算で読み取ります。CNG充填、LPG・LNGターミナルの貯蔵計算、高圧パイプライン輸送など、ガス工業の高圧設備設計では必須の概念です。
⚡ 焦点ポイント
「Z=1が理想気体」「Z<1で引力支配、Z>1で排除体積支配」の方向を覚える。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 「Z=1 なら理想気体」「Z≠1 なら実在気体」——これは正しい。ただし高温・低圧でも実在気体は Z≒1 に近づくだけで厳密には1ではない。
- 「気体」が「液体」に書き換えられる(方向の逆転)
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
12. 臨界現象 ★乙種で最重要
重要度: ★ 乙A / 甲C
🎯 一言で
臨界温度より高い温度では、いくら圧力を上げても気体を液化させることができない。これが乙種で最も繰り返し問われる論点。
📖 解説(乙種ベース)
液体と気体の境界には限界があります。ある温度を超えると、どんなに圧縮しても気体は液体にならなくなります。この温度が臨界温度です。
たとえばメタンの臨界温度は約-82℃。これより高い常温では、いくら圧力をかけてもメタンは液体になりません。だから日本のCNG(圧縮天然ガス)は「液化」ではなく「圧縮」と呼ばれているのです。
| ガス | 臨界温度 | 常温での液化 |
|---|---|---|
| メタン CH₄ | 約 -82℃ | 不可(CNGは圧縮のみ) |
| エタン C₂H₆ | 約 32℃ | 不可〜可の境界 |
| プロパン C₃H₈ | 約 97℃ | 可(LPGの根拠) |
| ブタン C₄H₁₀ | 約 152℃ | 可 |
| 二酸化炭素 CO₂ | 約 31℃ | 不可(常温は近いが超える) |
過去問でよく狙われる引っ掛け: 「二酸化炭素は常温で圧力を高めるだけで液化できる」と書かれた選択肢は誤(R04乙問3(イ))。CO₂の臨界温度は約31℃なので、夏場の常温(30℃以上)では液化不能になる。窒素も「常温で液化可能」と書かれたら必ず誤(臨界温度約-147℃)。「常温で液化可」が確実なのはプロパン・ブタンのみ。
🟦 甲種プラスα
臨界点を超えた状態を超臨界流体と呼び、液体と気体の中間的な性質を持ちます。超臨界二酸化炭素はコーヒーのカフェイン抽出や食品加工に工業利用されています。
⚡ 焦点ポイント
「メタンは常温で液化不可、CNGは圧縮のみ」「プロパンは常温で液化可、それがLPGの根拠」が頻出セット。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 【近年トレンド】 「臨界圧力以上に圧縮すれば必ず液化できる」→ ×（臨界温度以上ならどの圧力でも液化不可）。「臨界点では気体と液体の密度差がゼロになる」→ ○（これが臨界点の定義的特徴）。
- 「臨界温度以上では圧縮しても液化しない」は最頻出の正文
- 「メタンの臨界温度は約−82℃なので、常温のCNGは圧縮のみで液化できない」も正文
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる/数値・用語が類似のものに差し替えられる
13. 熱伝導率と粘度
重要度: 乙B / 甲B
🎯 一言で
気体の熱伝導率と粘度は 温度上昇で増加する(液体と逆の挙動)。圧力にはほぼ依存しない(低〜中圧域)。
📖 解説(乙種ベース)
液体と気体では、温度を上げたときの粘度の挙動が真逆です。
– 液体: 温度↑ → 粘度↓(ハチミツが温まるとサラサラ)
– 気体: 温度↑ → 粘度↑(これが直感に反するため引っかけになる)
なぜか? 液体の粘度は分子間力で決まるので、温度が上がって分子の動きが活発になると分子間力が弱まり、流れやすくなります。一方、気体の粘度は分子衝突による運動量の伝達で決まるので、温度が上がって分子速度が増すと衝突が増え、粘度が増えるのです。
熱伝導率も同じ原理で、気体は温度↑で熱伝導率↑です。水素H₂やヘリウムHeは分子量が小さく分子速度が速いため、熱伝導率が高くなります。
🟦 甲種プラスα
動粘度 ν=μ/ρ(粘度を密度で割った値)はレイノルズ数 Re=VD/ν の計算で使います(KISO05流体力学と連携)。
⚡ 焦点ポイント
「気体は温度↑で粘度↑、液体は温度↑で粘度↓」 — 方向が逆なのが最頻出引っかけポイント。
過去5年(R03〜R07)の乙種問1〜2には毎年この論点が選択肢のひとつとして登場。熱伝導率も同じ方向(気体は温度↑で熱伝導率↑)。
圧力依存性は「常圧域ではほぼ無関係」 ── これも頻出選択肢(H30乙問3(イ)が正解)。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 【近年トレンド】 液体の粘度は温度↑で減少（ハチミツが温まるとサラサラ）。気体は逆に温度↑で増加。試験でよく逆を引っ掛けてくる。
- 「気体の粘度は温度が上がると増加する（液体と逆）」は非常に頻出の引っ掛けポイント
- 「H₂・He は分子量が小さく熱伝導率が高い」も覚えておく
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる/数値・用語が類似のものに差し替えられる
14. 拡散(フィックの法則・グレアムの法則)
重要度: 乙C / 甲C
🎯 一言で
気体は濃度差に従って自然に広がる。広がる速度は 分子量の平方根の逆比 に従う(グレアムの法則)。
📖 解説(乙種ベース)
部屋の中で香水をふくと、しばらくすると部屋全体に香りが広がります。これが拡散現象です。気体分子は熱運動で常に動いていて、濃度の高いところから低いところへ自然に広がっていきます。
v₁/v₂ = √(M₂/M₁) (グレアムの法則)
つまり分子量が小さいガスほど速く拡散します。
実例:
– 水素H₂(分子量2)は酸素O₂(分子量32)の √16 = 4倍 速く拡散
– メタンCH₄(分子量16)はプロパンC₃H₈(分子量44)の 約1.66倍 速く拡散
– 過去問頻出パターン(R06甲問2(1)): 「水素 > メタン > エタン > プロパン」の順で拡散速度が速い(分子量2 < 16 < 30 < 44)。この4種を分子量の大小と紐づけて即答できるようにしておく。
ガス工業との関係: 漏洩時の挙動が分子量で全く違います。水素は速く上方に拡散するのに対し、LPGは床面近くに滞留するので、低い場所での換気が重要になります。
⚡ 焦点ポイント
「拡散速度比 = 分子量の平方根の逆比」を式で記憶。計算は√(M₂/M₁)を求めるだけ。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 拡散速度と流速（フロー）は別物。グレアムの法則は強制的な流れではなく自然拡散に適用する。
- 「グレアムの法則：拡散速度比 = 分子量の平方根の逆比」の式を確実に覚える
- 計算は √(M₂/M₁) を求めるだけ
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
15. ヘンリーの法則
重要度: 乙B / 🟦 甲A
🎯 一言で
気体が液体に溶ける量は、その気体の 分圧に比例 する(c = K_h × p)。高圧・低温ほど溶けやすい。
📖 解説(乙種ベース)
炭酸飲料を例にとります。製造時に高い圧力で二酸化炭素を液体に溶かし、栓を閉めます。栓を開けると圧力が下がり、ヘンリーの法則に従って溶けきれなくなったCO₂が泡として出てきます。
3つの重要な関係:
| 条件 | 溶解度 |
|---|---|
| 分圧↑ | 溶解度↑(より多く溶ける) |
| 温度↑ | K_h↓ → 溶解度↓(炭酸を温めるとCO₂が抜ける) |
| 温度↓ | K_h↑ → 溶解度↑ |
混合気体の場合は 各成分の分圧 で個別に決まります。全圧ではないので注意。
🟦 甲種プラスα
ガスパイプライン腐食: 天然ガスに含まれるCO₂やH₂Sは高圧で水分に多く溶け込み、配管内面の腐食(SCC: 応力腐食割れ)を引き起こします。製造工程で脱湿・脱炭酸・脱硫を行います。
LNG精製: -162℃まで冷却するため、原料天然ガスの中の水分・CO₂は凍結してパイプを詰まらせます。吸収塔を使ってこれらを除去する設計に、ヘンリーの法則が使われます。
⚡ 焦点ポイント
「全圧でなく分圧を使う」がドルトンの法則(8.の項)との連携ポイント。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 【近年トレンド】 ヘンリーの法則は希薄溶液・低溶解度の気体に成立。高溶解性気体（NH₃, HClなど）には成立しない。
- 「気体の溶解量は分圧に比例する（ヘンリーの法則）」は定義として確実に覚える
- 「温度が上がると溶解度が下がる（Kₕが小さくなる）」も正文として頻出
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
16. ラウールの法則
重要度: 乙C / 🟦 甲B
🎯 一言で
混合溶液の各成分の蒸気圧 = 純粋成分の蒸気圧 × モル分率。混合LPGの蒸気圧計算に直結。
📖 解説(乙種ベース)
純粋なプロパンや純粋なブタンには、それぞれ固有の蒸気圧があります。混合溶液(液状LPG)になると、各成分の蒸気圧はモル分率で按分されます。
pᵢ = xᵢ × pᵢ*、 全圧 Ptotal = Σ(xᵢ × pᵢ*)
🟦 甲種プラスα
甲種では 沸点上昇・凝固点降下 の応用問題が出ることがあります。不揮発性溶質を加えるとモル分率が下がり、蒸気圧が下がるため沸点が上がります。海水が0℃でも凍らない、塩を撒いて雪を融かす、などの現象もラウールの法則で説明できます。
⚡ 焦点ポイント
「pᵢ = xᵢ × pᵢ*」と「全圧は寄与の和」をセットで記憶。乙種で混合LPGの蒸気圧計算が出題される。
【最多ミス】「モル比 2:1」と書かれていたら、必ずモル分率(x₁=2/3, x₂=1/3)に変換してから式に代入。比のまま代入すると蒸気圧が見かけ上大きくなり失点する。
例: R07乙問2: プロパン:ブタン=2:1のLPGの20℃蒸気圧 → P = (2/3)×0.83 + (1/3)×0.24 = 0.63 MPa
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- 【近年トレンド】 ラウールは「溶液から出る蒸気圧」、ヘンリーは「気体が液体に溶ける量」——方向が逆。問題文の「溶ける」か「蒸発する」かで判断。
- 「pᵢ = xᵢ × pᵢ*」の式を確実に覚える
- 全圧は各成分の寄与の和
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
17. 単位系・標準状態
重要度: 乙C / 甲C
🎯 一言で
SI単位(Pa・m³・K・J)と標準状態(0℃・101.325 kPa)を完全に頭に入れる。計算ミスの8割は単位ミス。
📖 解説(乙種ベース)
ガス計算では単位の整合性が命です。以下を完全に覚えてください。
圧力
| 単位 | 関係 |
|---|---|
| 1気圧(atm) | = 101.325 kPa ≒ 0.1013 MPa |
| 1バール(bar) | = 100 kPa = 0.1 MPa |
| 表圧 → 絶対圧 | + 大気圧(≒+101.3 kPa) |
体積・温度
– 1 m³ = 1000 L
– T[K] = t[℃] + 273.15(試験では+273)
– 0℃=273 K、100℃=373 K、絶対零度=-273℃=0 K
標準状態(STP: 0℃・1気圧)
– 理想気体1 molの体積 = 22.4 L = 0.0224 m³
– 気体定数 R = 8.314 J/(mol·K)
計算の鉄則
1. 圧力は絶対圧 [Pa or kPa] に変換
2. 温度はケルビン [K] に変換
3. 体積は m³ か L に統一
4. 代入前に単位の整合を確認
⚡ 焦点ポイント
「1 atm = 101.325 kPa」「1 mol = 22.4 L」は丸暗記。乙種計算問題では単位換算ミスが最大の失点ポイント。
📝 誤答パターン(過去問頻出+一般則)
- R=8.314 を kPa・L/(mol·K) として使うと10^3 の誤差が出る。Pa・m³ か J/(mol·K) で統一するのが安全。
- 「1 atm = 101.325 kPa」「標準状態で1molは22.4 L」は丸暗記
- 「表圧→絶対圧は+101.3 kPa」「℃→K は+273」の変換は計算の毎ステップで意識する
- その他の傾向: 主語(誰が)・対象(何を)・条件のいずれかが入れ替えられる / 解説本文の太字キーワードが類似用語と置き換えられる / 節タイトルの主要語が類似名称と入れ替えられる
🗒️ 3分で復習(章末まとめ)
🎯 全節 一言まとめ
- 節1 物質の三態と潜熱・顕熱: 状態が変わるときに使う熱(潜熱)と、温度を上げ下げするときに使う熱(顕熱)を区別する。
- 節2 蒸気の状態(湿り蒸気・乾き蒸気・過熱蒸気): 液体と蒸気が共存している状態(湿り蒸気)、全部気体になった状態(乾き飽和蒸気)、さらに加熱した状態(過熱蒸気)の3段階を区別する。
- 節3 蒸気圧と沸点: 液体の飽和蒸気圧が外圧と等しくなったら沸騰する。だから外圧が変われば沸点も変わる。
- 節4 ボイルの法則: 温度を変えずに気体を圧縮すると、体積は圧力に反比例して小さくなる。
- 節5 シャルルの法則: 圧力を変えずに気体を温めると、体積は絶対温度(K)に比例して大きくなる。ケルビンで計算するのが鉄則。
- 節6 ボイル・シャルル: 圧力・体積・温度がすべて変化しても、
PV/T = 一定(モル数が変わらないことが条件)。 - 節7 気体の状態方程式 PV=nRT ★乙・甲ともに最重要: 理想気体の4変数(P・V・n・T)を結ぶ万能方程式。これを使えばモル数の関係が絡む計算もすべて扱える。
- 節8 混合気体とドルトンの分圧法則 ★乙・甲ともに最重要: 混合気体の全圧は、各成分が単独で同じ容器を占めたときの圧力(分圧)の合計。各成分の分圧は 全圧×モル分率 で計算できる。
- 節9 理想気体と実在気体の違い: 理想気体は「分子間力ゼロ・分子の体積ゼロ」と仮定した仮想モデル。実在気体は高圧・低温で理想からずれる。
- 節10 ファン・デル・ワールス式: 実在気体の補正方程式。分子間引力(a/V²)と分子自身の体積(b)の2つの補正項を追加することで、PV=nRTのずれを補正する。
- 節11 圧縮係数 Z: 実在気体が理想気体からどれだけずれているかの無次元指標。Z=1なら理想気体、Z<1は分子引力支配、Z>1は分子反発支配。
- 節12 臨界現象 ★乙種で最重要: 臨界温度より高い温度では、いくら圧力を上げても気体を液化させることができない。これが乙種で最も繰り返し問われる論点。
- 節13 熱伝導率と粘度: 気体の熱伝導率と粘度は 温度上昇で増加する(液体と逆の挙動)。圧力にはほぼ依存しない(低〜中圧域)。
- 節14 拡散(フィックの法則・グレアムの法則): 気体は濃度差に従って自然に広がる。広がる速度は 分子量の平方根の逆比 に従う(グレアムの法則)。
- 節15 ヘンリーの法則: 気体が液体に溶ける量は、その気体の 分圧に比例 する(c = K_h × p)。高圧・低温ほど溶けやすい。
- 節16 ラウールの法則: 混合溶液の各成分の蒸気圧 = 純粋成分の蒸気圧 × モル分率。混合LPGの蒸気圧計算に直結。
- 節17 単位系・標準状態: SI単位(Pa・m³・K・J)と標準状態(0℃・101.325 kPa)を完全に頭に入れる。計算ミスの8割は単位ミス。
⚡ 全節 焦点ポイント
- 節1: 「潜熱では温度計が動かない」のイメージが最重要。融解中も蒸発中も温度は一定です。
- 節2: 「乾き度x=1が乾き飽和蒸気、x=0が飽和液」の定義を正確に。「過熱蒸気は飽和温度より高い温度」も正文として頻出。
- 節3: プロパン -42℃、ブタン -1℃ は寒冷地問題で頻出。寒冷地でブタンが使いにくい理由は沸点が約 -1℃で冬期に気化しにくいから。
- 節4: 計算で「表圧→絶対圧の変換忘れ」が最頻出のミス。「ゲージ圧」とあれば必ず +101.325 kPa して絶対圧へ変換。
- 節5: シャルルの法則のTは絶対温度(K)。摂氏のまま代入すると致命的ミス。
- 節6: 絶対圧変換と絶対温度変換の両方が必要。乙種で最も多い計算は「圧縮後の体積を求める」問題。
- 節7: 「絶対圧」「絶対温度」が大前提。ゲージ圧・摂氏のまま代入は致命的。標準状態で1mol=22.4Lはそのまま暗記。
- 節8: 「全圧 = 分圧の和」「分圧 = 全圧 × モル分率」の2式。「理想気体では体積% = モル%」もセット。
- 節9: 「理想気体に最も近い条件は?」と問われたら 高温・低圧。
- 節10: 「a/V² は P に加算(引力補正)」「b は V から減算(体積補正)」の方向を正確に。
- 節11: 「Z=1が理想気体」「Z<1で引力支配、Z>1で排除体積支配」の方向を覚える。
- 節12: 「メタンは常温で液化不可、CNGは圧縮のみ」「プロパンは常温で液化可、それがLPGの根拠」が頻出セット。
- 節13: 「気体は温度↑で粘度↑、液体は温度↑で粘度↓」 — 方向が逆なのが最頻出引っかけポイント。
- 節14: 「拡散速度比 = 分子量の平方根の逆比」を式で記憶。計算は√(M₂/M₁)を求めるだけ。
- 節15: 「全圧でなく分圧を使う」がドルトンの法則(8.の項)との連携ポイント。
- 節16: 「pᵢ = xᵢ × pᵢ*」と「全圧は寄与の和」をセットで記憶。乙種で混合LPGの蒸気圧計算が出題される。
- 節17: 「1 atm = 101.325 kPa」「1 mol = 22.4 L」は丸暗記。乙種計算問題では単位換算ミスが最大の失点ポイント。
📌 乙種 基礎理論問1〜2 出題パターン
過去5年(R03〜R07)の乙種問1〜2は、本章の中から以下の論点を組み合わせた「気体の諸性質」問題が定番です。
- 節9(理想気体・実在気体): 「高温・低圧で理想気体に近い」 ← 「低温・高圧」と書き換える誤が王道
- 節13(粘度・熱伝導率): 「気体の粘度は温度↑で増加」 ← 「減少」と書き換える誤が王道
- 節12(臨界現象): 「臨界温度より高ければ圧縮しても液化不能」 ← この方向は変化なし、二酸化炭素・窒素が引っ掛け素材
- 節1(潜熱・顕熱): 「相変化に伴う熱を潜熱」 ← 顕熱と入れ替える誤
- 節15(ヘンリーの法則): 「分圧に比例して溶解度↑」 ← 「反比例」「分圧でなく全圧」と書き換える誤
5択中の正解は、これらの法則を「方向(↑↓)」「比例関係」「主語(気体/液体)」のどれか1点で書き換えた誤文です。
📝 関連過去問
この章の知識が問われる過去問題リスト(全71問)。
ℹ️ 乙種・甲種は別の試験です。同じ問番号(例: 基問10)であっても、乙種と甲種では出題される問題内容は異なります。各年度・種別ごとの本文は 乙種過去問 / 甲種過去問 ページから確認してください。
乙種(38問)
– 令和7年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4
– 令和6年: 基問1 / 基問2
– 令和5年: 基問1 / 基問2
– 令和4年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4
– 令和3年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4
– 令和2年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4 / 基問5
– 令和元年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4 / 基問5
– 平成30年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4 / 基問5
– 平成29年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4
– 平成27年: 基問1 / 基問2 / 基問3
甲種(33問)
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– 平成30年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4 / 基問5
– 平成29年: 基問1 / 基問2 / 基問3 / 基問4