プリンキピア

第1章化学の基本概念

1.6 Mathematical Treatment of Measurement Results1.6 測定結果の数学的な扱い

Learning Objectives学習目標

By the end of this section, you will be able to:
この節を学び終えると、次のことができるようになる。
  • Explain the dimensional analysis (factor label) approach to mathematical calculations involving quantities
    量を扱う数学的計算における次元解析(因子ラベル法)の考え方を説明する
  • Use dimensional analysis to carry out unit conversions for a given property and computations involving two or more properties
    次元解析を使い、ある性質の単位換算や、二つ以上の性質が関わる計算を行う
It is often the case that a quantity of interest may not be easy (or even possible) to measure directly but instead must be calculated from other directly measured properties and appropriate mathematical relationships. For example, consider measuring the average speed of an athlete running sprints. This is typically accomplished by measuring the time required for the athlete to run from the starting line to the finish line, and the distance between these two lines, and then computing speed from the equation that relates these three properties:
英語のヒント
知りたい量を直接測定するのが容易ではなく(不可能な場合さえあり)、ほかの直接測定した性質と適切な数学的関係から計算しなければならないことはよくある。たとえば、短距離走をする選手の平均の速さを測ることを考えよう。通常は、選手がスタートラインからフィニッシュラインまで走る時間と、その二つの線の間の距離を測定し、この三つの量の関係を表す式から速さを計算する。
speed=distancetime
速さ=距離時間
An Olympic-quality sprinter can run 100 m in approximately 10 s, corresponding to an average speed of
オリンピック級の短距離走者は100 mを約10 sで走ることができ、これは次の平均の速さに相当する。
100 m10 s=10 m/s
(For this and the next calculation, assume the trailing zeros are significant digits.) Note that this simple arithmetic involves dividing the numbers of each measured quantity to yield the number of the computed quantity (100/10 = 10) and likewise dividing the units of each measured quantity to yield the unit of the computed quantity (m/s = m/s). Now, consider using this same relation to predict the time required for a person running at this speed to travel a distance of 25 m. The same relation among the three properties is used, but in this case, the two quantities provided are a speed (10 m/s) and a distance (25 m). To yield the sought property, time, the equation must be rearranged appropriately:
英語のヒント
(この計算と次の計算では、末尾のゼロは有効数字とする。)この単純な計算では、測定した各量の数値同士を割って、求める量の数値を得ている(100/10 = 10)。同様に、測定した各量の単位同士を割って、求める量の単位を得ている(m/s = m/s)ことに注目しよう。今度は、この同じ関係を使って、この速さで走る人が25 m進むのに必要な時間を予測しよう。三つの量の間の関係は同じだが、今回は速さ(10 m/s)と距離(25 m)の二つの量が与えられている。求める量である時間を得るには、式を適切に変形する必要がある。
time=distancespeed
時間=距離速さ
The time can then be computed as:
すると、時間は次のように計算できる。
25 m10 m/s=2.5 s
Again, arithmetic on the numbers (25/10 = 2.5) was accompanied by the same arithmetic on the units (m/(m/s) = s) to yield the number and unit of the result, 2.5 s. Note that, just as for numbers, when a unit is divided by an identical unit (in this case, m/m), the result is “1”—or, as commonly phrased, the units “cancel.”
英語のヒント
ここでも、数値に対する計算(25/10 = 2.5)と同時に、単位にも同じ計算(m/(m/s) = s)を行い、結果の数値と単位である2.5 sを得た。数値の場合と同様に、ある単位を同じ単位で割ると(この場合はm/m)、結果は「1」になる。よく使う言い方では、単位が「消える」ことに注意しよう。
These calculations are examples of a versatile mathematical approach known as dimensional analysis (or the factor-label method). Dimensional analysis is based on this premise: the units of quantities must be subjected to the same mathematical operations as their associated numbers. This method can be applied to computations ranging from simple unit conversions to more complex, multi-step calculations involving several different quantities.
英語のヒント
これらの計算は、次元解析(または因子ラベル法)と呼ばれる、幅広く使える数学的な方法の例である。次元解析は、量の単位にも、それに付随する数値と同じ数学的演算を施さなければならない、という考えに基づく。この方法は、単純な単位換算から、いくつかの異なる量を含む、複雑で複数の段階を要する計算まで、幅広く適用できる。

Conversion Factors and Dimensional Analysis換算係数と次元解析

A ratio of two equivalent quantities expressed with different measurement units can be used as a unit conversion factor. For example, the lengths of 2.54 cm and 1 in. are equivalent (by definition), and so a unit conversion factor may be derived from the ratio,
英語のヒント
同じ量を異なる測定単位で表した二つの値の比は、単位換算係数として使える。たとえば、2.54 cmと1 in.は(定義により)等しい長さなので、次の比から単位換算係数が得られる。
2.54 cm1 in.(2.54 cm=1 in.) or 2.54cmin.
Several other commonly used conversion factors are given in Table 1.6.
表1.6には、ほかにもよく使う換算係数をいくつか示している。
Common Conversion Factors
よく使う換算係数
Length
長さ
Volume
体積
Mass
質量
1 m = 1.0936 yd
1 L = 1.0567 qt
1 kg = 2.2046 lb
1 in. = 2.54 cm (exact)
1 in. = 2.54 cm(正確)
1 qt = 0.94635 L
1 lb = 453.59 g Strictly speaking, the ounce and pound are units of weight, W (a force equal to the product of mass and gravitational acceleration, W = mg). The conversion relations in this table are commonly used to equate masses and weight assuming a nominal value for g at the surface of the earth.
1 lb = 453.59 g 厳密にいえば、オンスとポンドは重さWの単位である(重さは質量と重力加速度の積に等しい力で、W = mg)。この表の換算関係は、地表でのgの公称値を仮定して質量と重さを対応させるために、一般に使われている。
1 km = 0.62137 mi
1 ft3 = 28.317 L
1 (avoirdupois) oz = 28.349 g
1(常用)oz = 28.349 g
1 mi = 1609.3 m
1 tbsp = 14.787 mL
1 (troy) oz = 31.103 g
1(トロイ)oz = 31.103 g
Table 1.6表 1.6
When a quantity (such as distance in inches) is multiplied by an appropriate unit conversion factor, the quantity is converted to an equivalent value with different units (such as distance in centimeters). For example, a basketball player’s vertical jump of 34 inches can be converted to centimeters by:
ある量(たとえばインチで表した距離)に適切な単位換算係数を掛けると、その量は異なる単位で表した同等の値(たとえばセンチメートルで表した距離)に換算される。たとえば、バスケットボール選手の垂直跳び34インチは、次のようにセンチメートルに換算できる。
34in.×2.54 cm1in.=86 cm
Since this simple arithmetic involves quantities, the premise of dimensional analysis requires that we multiply both numbers and units. The numbers of these two quantities are multiplied to yield the number of the product quantity, 86, whereas the units are multiplied to yield in.×cmin.. Just as for numbers, a ratio of identical units is also numerically equal to one, in.in.=1, and the unit product thus simplifies to cm. (When identical units divide to yield a factor of 1, they are said to “cancel.”) Dimensional analysis may be used to confirm the proper application of unit conversion factors as demonstrated in the following example.
英語のヒント
この単純な計算は量を扱うため、次元解析の前提に従い、数値と単位の両方を掛け合わせなければならない。二つの量の数値同士を掛けると積の数値86が得られ、単位同士を掛けるとin.×cmin.が得られる。数値の場合と同じく、同じ単位同士の比も数値として1に等しく、in.in.=1,となるため、単位の積はcmに簡約される。(同じ単位同士を割って係数1になったとき、単位は「消える」という。)次元解析は、次の例のように、単位換算係数が適切に使われていることを確かめるためにも使える。
Example 1.8例題 1.8

Using a Unit Conversion Factor単位換算係数を使う

The mass of a competition frisbee is 125 g. Convert its mass to ounces using the unit conversion factor derived from the relationship 1 oz = 28.349 g (Table 1.6).
競技用フリスビーの質量は125 gである。1 oz = 28.349 gの関係(表1.6)から得られる単位換算係数を使い、質量をオンスに換算しなさい。

Solution解き方

Given the conversion factor, the mass in ounces may be derived using an equation similar to the one used for converting length from inches to centimeters.
換算係数が与えられていれば、長さをインチからセンチメートルに換算したときと同様の式を使い、オンスで表した質量を求められる。
xoz=125 g×unit conversion factor
xoz=125 g×単位換算係数
The unit conversion factor may be represented as:
単位換算係数は次のように表せる。
1 oz28.349 gand28.349 g1 oz
1 oz28.349 gおよび28.349 g1 oz
The correct unit conversion factor is the ratio that cancels the units of grams and leaves ounces.
正しい単位換算係数は、グラムの単位を消してオンスを残す比である。
xoz=125g×1 oz28.349g=(12528.349)oz=4.41 oz (three significant figures)
xoz=125g×1 oz28.349g=(12528.349)oz=4.41 oz(有効数字3桁)

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Convert a volume of 9.345 qt to liters.
9.345 qtの体積をリットルに換算しなさい。
Beyond simple unit conversions, the factor-label method can be used to solve more complex problems involving computations. Regardless of the details, the basic approach is the same—all the factors involved in the calculation must be appropriately oriented to ensure that their labels (units) will appropriately cancel and/or combine to yield the desired unit in the result. As your study of chemistry continues, you will encounter many opportunities to apply this approach.
英語のヒント
因子ラベル法は、単純な単位換算にとどまらず、計算を伴うより複雑な問題にも使える。細部がどうであれ、基本的な方法は同じである。計算に含まれるすべての因子を適切な向きに配置し、それぞれのラベル(単位)が適切に消えたり組み合わさったりして、結果に必要な単位が得られるようにしなければならない。化学の学習を続ける中で、この方法を使う機会は数多く現れる。
Example 1.9例題 1.9

Computing Quantities from Measurement Results and Known Mathematical Relations測定結果と既知の数学的関係から量を計算する

What is the density of common antifreeze in units of g/mL? A 4.00-qt sample of the antifreeze weighs 9.26 lb.
英語のヒント
一般的な不凍液の密度はg/mL単位でいくらか。この不凍液4.00 qtの試料の重さは9.26 lbである。

Solution解き方

Since density=massvolume, we need to divide the mass in grams by the volume in milliliters. In general: the number of units of B = the number of units of A × unit conversion factor. The necessary conversion factors are given in Table 1.6: 1 lb = 453.59 g; 1 L = 1.0567 qt; 1 L = 1,000 mL. Mass may be converted from pounds to grams as follows:
密度=質量体積なので、グラムで表した質量を、ミリリットルで表した体積で割る必要がある。一般に、B単位での数値 = A単位での数値 × 単位換算係数である。必要な換算係数は表1.6にある。1 lb = 453.59 g、1 L = 1.0567 qt、1 L = 1,000 mLである。質量は次のようにポンドからグラムに換算できる。
9.26lb×453.59 g1lb=4.20×103g
Volume may be converted from quarts to milliliters via two steps:
体積は二つの段階でクォートからミリリットルに換算できる。
  1. Convert quarts to liters.
    クォートをリットルに換算する。
    4.00qt×1 L1.0567qt=3.78 L
  2. Convert liters to milliliters.
    リットルをミリリットルに換算する。
    3.78L×1000 mL1L=3.78×103mL
Then,
したがって、
density=4.20×103g3.78×103mL=1.11 g/mL
密度=4.20×103g3.78×103mL=1.11 g/mL
Alternatively, the calculation could be set up in a way that uses three unit conversion factors sequentially as follows:
あるいは、三つの単位換算係数を順に使い、次のように計算を組み立ててもよい。
9.26lb4.00qt×453.59 g1lb×1.0567qt1L×1L1000 mL=1.11 g/mL

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What is the volume in liters of 1.000 oz, given that 1 L = 1.0567 qt and 1 qt = 32 oz (exactly)?
1 L = 1.0567 qt、1 qt = 32 oz(正確)であるとき、1.000 ozの体積をリットルで表すといくらか。
Example 1.10例題 1.10

Computing Quantities from Measurement Results and Known Mathematical Relations測定結果と既知の数学的関係から量を計算する

While being driven from Philadelphia to Atlanta, a distance of about 1250 km, a 2014 Lamborghini Aventador Roadster uses 213 L gasoline.
2014年型ランボルギーニ・アヴェンタドール・ロードスターが、フィラデルフィアからアトランタまで約1250 km走行し、213 Lのガソリンを使用した。
(a) What (average) fuel economy, in miles per gallon, did the Roadster get during this trip?
(a) この移動中のロードスターの(平均)燃費は、1ガロン当たり何マイルだったか。
(b) If gasoline costs $3.80 per gallon, what was the fuel cost for this trip?
(b) ガソリンが1ガロン当たり3.80ドルなら、この移動の燃料費はいくらだったか。

Solution解き方

(a) First convert distance from kilometers to miles:
(a) まず、距離をキロメートルからマイルに換算する。
1250km×0.62137 mi1km=777 mi
and then convert volume from liters to gallons:
次に、体積をリットルからガロンに換算する。
213L×1.0567qt1L×1 gal4qt=56.3 gal
Finally,
最後に、
(average) mileage=777 mi56.3 gal=13.8 miles/gallon=13.8 mpg
(平均)燃費=777 mi56.3 gal=13.8マイル/ガロン=13.8 mpg
Alternatively, the calculation could be set up in a way that uses all the conversion factors sequentially, as follows:
あるいは、すべての換算係数を順に使い、次のように計算を組み立ててもよい。
1250km213L×0.62137 mi1km×1L1.0567qt×4qt1 gal=13.8 mpg
(b) Using the previously calculated volume in gallons, we find:
(b) すでに計算したガロン単位の体積を使うと、次のようになる。
56.3gal×$3.801gal=$214

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A Toyota Prius Hybrid uses 59.7 L gasoline to drive from San Francisco to Seattle, a distance of 1300 km (two significant digits).
トヨタ・プリウス・ハイブリッドが、サンフランシスコからシアトルまで1300 km(有効数字2桁)走るのに、59.7 Lのガソリンを使用する。
(a) What (average) fuel economy, in miles per gallon, did the Prius get during this trip?
(a) この移動中のプリウスの(平均)燃費は、1ガロン当たり何マイルだったか。
(b) If gasoline costs $3.90 per gallon, what was the fuel cost for this trip?
(b) ガソリンが1ガロン当たり3.90ドルなら、この移動の燃料費はいくらだったか。