ヘリウムガス入りの風船は空高く昇って行った後、どうなるのでしょうか。か

質問

ヘリウムガス入りの風船は空高く昇って行った後、どうなるのでしょうか。かつて化学の授業で、気圧が低くなると空気は膨張し、温度が低くなると空気は縮むことを学びました。上空は気圧が低く、気温も低いので、風船がどうなるのかがわかりません。

回答No.2

noname#160321 · ベストアンサー

通常は気圧変化で膨らんでゴム風船ですと薄くなり、ゴムの微小な穴からヘリウムが拡散する速度が上がるため出て行ってしまうので、破裂せずにしぼんで落ちると思います。

お礼

とても参考になりました。
ありがとうございます。

回答No.3

soratobi1

結論からいえば、風船にピンホールなどの大きな穴の不良が無ければ、基本的には膨張して破裂します。

成層圏までは高度が１００ｍ上昇すると平均－６．５℃気温が下がる気温減率というものがあり、
理想気体は１℃上昇すると０℃の時の体積の１／２７３だけ膨張するシャルルの法則というものが
ありますが、
一方で高度の上昇とともに急速に気圧が下がり、地上で気圧が１０１３Ｈｐ（気温１５．０℃）であれば、
高度３４００ｍでは、大気圧の約２／３（６６６．２Ｈｐ、－７．１℃）、高度８４００ｍで
約１／３（３３５．９、－３９．６℃）、大気の気温が下がらずに上がり始める成層圏の高度
１６０００ｍで約１／１０（１０２．９Ｈｐ、－５６．５℃）といった具合に大きく気圧が減少します。（標準大気の気圧および気温）

仮に高度３４００ｍであればシャルルの法則から１５℃の時の体積の約０．９２３倍になりますが、
一方で大気が約２／３（約０．６６７）で言い換えれば元の体積の１．５倍に気体が膨張している
ことになります。（気温の低下を考慮しても１．５×０．９２３＝１．３８４５倍に膨張）

また高度８４００ｍであればシャルルの法則から１５℃の時の体積の約０．８１倍になりますが、
一方で大気が約１／３（約０．３３３）で言い換えれば元の体積の３倍に気体が膨張している
ことになります。（気温の低下を考慮しても３×０．８１＝２．４３倍に膨張）

（長さが倍になると体積が８倍になる相似形の体積比を球体のゴム風船に強引に当てはめると、
直径２８ｃｍのゴム風船が体積換算で高度３４００ｍで約３１ｃｍ、高度８４００ｍで約３８ｃｍまで
膨張させた体積になるのかもしれません。）

なお、一般的なゴム風船のゴム膜によって風船内の気体にかかる内圧は破裂寸前のキンキンに
張った状態でも数十Ｈｐ程度。
内圧はその分だけ外圧より高いものの、外圧の減少で膨張することにより風船は破裂することに
なります。

ただし、現実には地理、季節や天候、時間帯をはじめとする気温や気圧がこの通りにはなりませんし、
風船に浮力が十分にないことには上昇せず、途中でヘリウムガスが抜けて地上に落ちてしまったり、
直射日光の放射熱による気体の膨張や膜の劣化。降雨や気流による落下や氷、塵埃などの付着、
風船自体のピンホールなどの不良で破裂してしまうことも珍しくありません。

ちなみにゴム風船は上空で必ずスパゲッティ状になるとは限らず、粉々になるにはゴムとしての
弾性限界（ゴム膜を引っ張るのを止めても膜が伸びきった状態ですかね。）に達する必要があると
いいます。
気象庁高層気象台のホームページで公開されている「彙報2005年」の『回収された落下ゾンデに
関する調査』もためになるのでご覧ください。

お礼

詳細な説明をありがとうございます。
とても参考になりました。

回答No.1

debukuro

膨張して破裂するかガスが抜けるかどちらかです

お礼

とても参考になりました。
ありがとうございます。