最終更新日: 2024 年 11 月 12 日

理想気体の法則

画像の説明: 圧力、体積、温度の関係は、理想気体の法則によって説明されます。たとえば、一定の体積で温度が低下すると、圧力も低下します。

理想気体方程式の概要

理想気体の法則または方程式は、熱力学の最も基本的なものの 1 つです。気体を説明するために、圧力 (\(P\))、体積 (\(V\))、温度 (\(T\))、気体の量 (\(n\)) という 4 つの重要な変数を関連付けます。

方程式 \(PV = nRT\) のパラメータ

P: パスカル (Pa) で表されるガス圧力。
V: 気体が占める体積 (立方メートル (m3))。
n: 気体中の物質の量。モル単位で表されます。
R: 理想気体定数。その値は \(8.314 \, \text{J/mol·K}\) です。
T: ケルビン (K) で表されるガスの絶対温度。

方程式の物理的解釈

理想気体方程式を使用すると、理想気体の挙動をモデル化できます。理想気体とは、粒子が衝突以外の相互作用を受けない気体です。このモデルは、現実の気体が理想気体とほぼ同じように動作する、中程度の温度と圧力における有効な近似です。

この方程式から、特定の量の気体 (\(n\)) と一定の温度 (\(T\)) において、圧力と体積は反比例の関係にあることがわかります。これは、ガスの温度と量が一定であれば、体積を増やすと圧力が下がり、その逆も成り立つことを意味します。

自転車ポンプと理想気体の法則

自転車のポンプを使用すると、空気を圧縮するときにポンプ内のガス圧が増加します。観測された熱効果、つまりポンプの加熱は、理想気体の法則の直接の結果です。

ポンプを作動させると、ポンプ内のガスの体積を減らそうとする力が働きます。理想気体の方程式によれば、気体量 (n) とモル数を一定に保ちながら体積 (V) が減少すると、圧力 (P) は増加する必要があります。気体が圧縮されると、熱の形でエネルギーが放出されます。

開けにくい冷蔵庫のドアと理想ガス法

特に夏場、冷蔵庫のドアをしばらく開けておくと開けにくくなる現象は、理想ガスの法則で説明できます。

冷蔵庫のドアをしばらく開けたままにしておくと、冷蔵庫内の空気が周囲の暖かい空気と混ざります。この熱風の混合によって冷蔵庫内の温度が上昇します。ドアを閉めると冷蔵庫内のガスは再び冷え始め、圧力が下がります。しかし、外気が閉めたドアにさらに圧力をかけるため、ドアを開けるのが難しくなります。

ひっくり返ったジャム瓶と理想気体の法則

熱いジャム瓶を閉めた後に逆さまにすると、瓶の中の空気が急速に冷却されます。冷めると鍋の中の空気が収縮します。

理想気体の法則によれば、一定の体積で温度が低下すると、鍋内の圧力も低下します。これは、ガスが運動エネルギーを失い、空気分子が占めるスペースが少なくなるためです。この温度と圧力の低下により、ポットの内部には外部の大気圧に対して負圧が生じます。この負圧により、鍋を逆さにするとわずかに「パチッ」という音が聞こえ、蓋がわずかに内側に変形します。これは、外圧が鍋内部の圧力よりも高いために起こります。この現象は完全な真空ではなく、蓋の周りに一種の気密シールを形成する弱い負圧です。