ボイルの法則、シャルルの法則、G・リュサックの法則
ボイルの法則
ロバート・ボイル（1627年～1691年）は、気体の圧力と体積の定量的関係を調べる実験を行いました。この実験では、一定量の気体を密閉容器に入れました。彼は、気体の温度を一定に保った場合、気体の圧力が上昇すると体積が減少すること、逆に、圧力が低下すると体積が増加することを発見しました。つまり、気体の圧力は体積に反比例するのです。この関係はボイルの法則として知られています。数式で表すと次のようになります。
ボイルの法則は次のように表すこともできます。
PV = 定数 → 式1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → 式2
式1の意味するところは、温度(T)が一定の場合、気体の圧力(P)が変化すると、気体の体積(V)も変化し、圧力と体積の積は常に一定になるということです。つまり、気体の圧力が上昇すると体積は減少し、逆に圧力が低下すると体積は増加するため、圧力と体積の積は常に一定になります。
体積と圧力の関係を示すグラフは、下の図のようになります。ロバート・ボイルは実験に基づき、気体の体積は不規則に変化するため、グラフ上の線は曲線になることを発見しました。グラフに示されている圧力は絶対圧力であり、ゲージ圧力ではありません。
シャルルの法則
ロバート・ボイルが体積と圧力の関係を発見してから100年後、フランスの科学者ジャック・シャルル（1746年～1823年）は、温度と気体の体積の関係を研究した。彼の実験に基づき、気体の圧力が一定の場合、気体の温度が上昇すると体積も増加し、逆に気体の温度が低下すると体積も減少することを発見した。
温度変化による気体体積の変化は規則的に起こるため、このグラフの線は直線に見えます。もしグラフの線がより低い温度で描かれていたら、軸との交点は-273℃付近になるでしょう。
これまでに行われた多くの実験に基づくと、各気体の体積変化の大きさは異なるものの、V-Tグラフ上の線を低温側に引くと、その線は常に-273℃付近で軸と交差することがわかった。つまり、気体を-273℃まで冷却すると、気体の体積は0になる。さらに気体を-273℃以下まで冷却すると、気体の体積は負の値になるが、これはあり得ないことである。
それで‐273 oCは到達可能な最低温度です。線が軸と交わる点は約-273です。 oC その後、相互合意に基づき、達成可能な最低温度は-273,15と決定された。 oC.‐273,15 oC は絶対零度と呼ばれ、絶対温度目盛（ケルビン目盛とも呼ばれる）の基準として使用されます。ケルビンは、イギリスの物理学者であるケルビン卿（1824～1907）にちなんで名付けられました。この目盛では、温度はケルビン度（K）ではなくケルビン（K）で表されます。oK)。度と度の間の距離は摂氏目盛と同じです。0 K = -273,15 oC および 273,15 K = 0 oC.
摂氏温度は273,15を加えることでケルビン温度に変換でき、ケルビン温度は273,15を引くことで摂氏温度に変換できます。数式で表すと次のようになります。
T (K) = T ( ℃ ) + 273,15
T ( ℃ ) = T (K) - 273,15
説明：
T = 温度
K = ケルビン
C = 摂氏
温度をケルビンで表すと、上記のグラフは下の画像のようになります。
このグラフから、一定圧力下では気体の体積は常に絶対温度に正比例することがわかります。気体の絶対温度が上昇すると体積も増加し、逆に気体の絶対温度が低下すると体積も減少します。この関係はシャルルの法則として知られています。数式で表すと次のようになります。
体積∝温度→一定圧力
V ∝ T → P 定数
シャルルの法則は、次のように表すこともできます。
式1の意味は、圧力(P)が一定の場合、気体の絶対温度(T)が変化すると、気体の体積(V)も変化するため、絶対温度と体積の比較結果は常に一定になるということです。気体の絶対温度が上昇すると、気体の体積も増加し、逆に、気体の絶対温度が低下すると、気体の体積も減少するため、温度と体積の比較は常に一定になります。気体の絶対温度とは、ケルビン目盛で表した気体の温度のことです。温度がまだ摂氏目盛で表されている場合は、まずケルビン目盛に変換してください。
ゲイ＝リュサックの法則
ジョセフ・ゲイ＝リュサック（1778年～1850年）は実験を行い、気体の体積を一定に保った場合、気体の圧力が上昇すると絶対温度も上昇することを発見しました。逆に、気体の圧力が低下すると、絶対温度も低下します。体積が一定の場合、気体の圧力は絶対温度に正比例します。この関係はゲイ＝リュサックの法則と呼ばれています。数式で表すと次のようになります。
圧力∝温度→定容
P ∝ T → V 定数
ゲイ＝リュサックの法則は、次のように表すこともできます。
式1の意味は、体積(V)が一定の場合、気体の圧力(P)が変化すると、気体の絶対温度(T)も変化し、圧力と絶対温度の比較結果が一定になるということです。言い換えれば、気体の圧力が上昇すれば気体の絶対温度も上昇し、逆に、気体の圧力が低下すれば気体の絶対温度も低下するため、圧力と温度の比較は常に一定になります。
気体の絶対温度とは、ケルビン単位で表した気体の温度のことです。温度が摂氏で表示されている場合は、まずケルビンに変換してください。
ボイルの法則、シャルルの法則、ゲイ＝リュサックの法則は、気体の圧力と密度が高すぎない場合に正確な結果をもたらすことに注意することが重要です。さらに、これらの3つの法則は、沸点に近い温度ではない気体にのみ適用されます。
この事実から、ボイルの法則、シャルルの法則、ゲイ＝リュサックの法則は、あらゆる気体の状態に適用できるわけではないと結論づけることができます。これらの法則はあらゆる実際の気体の状態に適用できないため、理想気体、あるいは完全気体の概念が必要となります。この理想気体は日常生活には存在しません。理想気体は、剛体や理想流体の概念と同様に、あくまで理想的なモデルにすぎません。したがって、上記の3つの気体の法則は、あらゆる理想気体の状態に適用できると仮定します。
気体の法則の問題を解く際には、温度はケルビン単位で表す必要があります。気体の圧力が測定圧力である場合は、まず絶対圧力に変換してください。絶対圧力 = 大気圧 + ゲージ圧力r。
