ボイルの法則、シャルルの法則、ゲイ＝リュサックの法則
ボイルの法則
ロバート・ボイル（1627-1691）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。この実験は、一定量の気体を密閉容器に注入することによって行われます。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、同様に、気体の圧力が低下すると体積が増加することを発見しました。気体の圧力は体積に反比例します。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も表せる。
PV = 定数 → 式1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → 式2
式1の意味は、一定温度(T)において、気体の圧力(P)が変化すると、気体の体積(V)も変化する、
そのため、圧力と体積の積は常に一定になります。ガス圧が上昇すればガスの体積は減少し、逆にガス圧が低下すればガスの体積は増加するため、圧力と体積の積は常に一定です。
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・ボイルは実験結果に基づき、気体の体積は不規則に変化するため、グラフ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す。
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（1746-1823）は、温度と気体の体積の関係を研究した。実験結果に基づき、彼は気体の圧力が常に一定の場合、気体の温度が上昇すると気体の体積も増加し、逆に気体の温度が低下すると気体の体積も減少することを発見した。
温度変化に伴う気体体積の変化は規則的に起こるため、このグラフ上の線は直線に見えます。温度がさらに低くなるまでグラフ上の線を描き続けると、線は-273℃付近で軸と交わります。
実施された多くの実験に基づくと、各ガスの体積変化の大きさは異なるものの、
VTチャート上の線を低温側に引くと、線は常に-273℃付近で軸と交わります。つまり、ガスを-273℃まで冷却すると、ガスの体積は0になります。さらにガスを冷却して温度を-273℃以下にすると、ガスの体積は負の値になりますが、これはあり得ないことです。
つまり-273 oCは達成可能な最低温度です。線が軸と-273付近で交わるため oC 協定によれば、達成可能な最低温度は-273.15と定められている。 oC. -273.15 oC は絶対零度と呼ばれ、絶対スケールの基準、別名ケルビン尺度として使用されます。ケルビンは、イギリスの物理学者ケルビン卿 (1824-1907) の名前です。このスケールでは、温度はケルビン (K) で表され、ケルビン (oK）度。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
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図のようになります。
このグラフから、一定の圧力下では、気体の体積は常に気体の絶対温度に正比例することが分かります。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 α 温度 → 一定圧力
V α T → P 定数
式 1 の意味は、圧力 (P) が一定の場合、絶対温度 (T) が変化すると、気体の体積 (V) も変化し、絶対温度と体積の比が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、気体の体積も上昇し、逆に気体の絶対温度が低下すると、体積も減少します。
気体の体積も減少するため、温度と体積の比は常に一定です。気体の絶対温度は気体の温度であり、ケルビン目盛で表されます。温度がまだ摂氏目盛の場合は、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（1778-1850）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。同様に、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 α 温度 → 定容
P α T → V は一定です
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ると気体の絶対温度も上昇し、逆に気体の圧力が下がれば絶対温度も上昇します。
気体の絶対温度も低下するため、圧力と温度の比は常に一定に保たれる。
気体の絶対温度とは、気体の温度のことで、ケルビン単位で表されます。温度がまだ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それほど大きくない場合に正確な結果をもたらすことにご注意ください。さらに、これら3つの法則は、沸点付近の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。すべての実際の気体の状態に適用できないため、理想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、理想的な剛体や流体の概念と同様に、単なる理想的なモデルです。したがって、上記の3つの気体の法則は、すべての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の形になっている場合は、まず絶対圧力に変換してください。絶対圧力 = 大気圧 + 測定圧力
