この記事では熱力学の重要公式である「ボイルシャルルの法則」について解説していきます。
ボイルシャルルの法則は気体の状態を調べるための重要な法則です。熱力学では超頻出の重要な法則なのでしっかり学んでください。
- これから物理を学ぶ高校生
- 物理を得点源にしたい受験生
に向けて、できるだけ噛み砕いて解説しますので、最後までしっかり読んで理解しましょう！
目次
気体は分子の集まりでできている
まずボイルシャルルの法則について学ぶ前に、前提として「気体は分子によってできている」ということを理解しておく必要があります。
気体の圧力の正体は分子の熱運動であり、分子の運動が激しければ激しいほど、圧力は大きくなります。
例えば風船に空気を封じたとき、温度が高いほど風船がパンパンになりますよね。これは気体が熱を持つほど気体を構成する分子の運動が激しくなるため体積が増えるのです。
また、圧力は単位面積あたりにかかる力の大きさのことを表すので、衝突する回数が増えるほど圧力は大きくなるわけです。
ここら辺の詳しい原理は気体分子運動論の記事で詳しく解説していきますが、まずは「気体は分子でできており、分子の運動の激しさで気体の圧力と体積が変わる」と理解できていればOKです。
ボイルシャルルの法則とは
では本題のボイルシャルルの法則について。まずは式から見ていきましょう。
（：圧力、：体積、：絶対温度、：定数）
ボイルシャルルの法則は「一定量の気体の体積は気体の圧力に比例し、温度に反比例する」ことを表しています。
ボイルシャルルの法則はその名前の通り「ボイルの法則」と「シャルルの法則」を組み合わせた法則です。それぞれの式について解説します。
ボイルの法則
ボイルの法則は「気体の温度を一定にした時、圧力と体積は反比例する」ことを表した式です。
ボイルの法則の原理は、ピストンで空気を押し込んだ場合をイメージしてみるとわかりやすいです。
ボイルの法則の原理を説明
ピストンにつめた気体を圧縮してみます。この時、気体の温度を一定にすると、ピストンに詰められた気体分子に熱が加わらないため、常に一定の運動をするようになりますが、体積が減るほど気体分子が衝突する回数が増えるため、気体の圧力は高くなります。
逆にピストンを引き抜いて空気を膨張させると、気体分子の振動回数が減るために気体の圧力が低くなります。
温度が一定の時、体積と圧力が反比例になるのがわかります。これを式で表したのがボイルの法則です。
シャルルの法則
シャルルの法則は「気体の圧力を一定にした時、体積と温度は比例する」ことを表した式です。
ボイルの法則と同様に、シャルルの法則もピストンの実験を例にして考えるとわかりやすいです。
シャルルの法則の原理を説明
常に一定の圧力で気体を圧縮したピストンに、ヒーターで熱を加えてみます。すると気体分子が熱エネルギーを受け取り、分子の運動がどんどん激しくなっていきます。運動が激しくなると気体の体積が膨張し始めます。
逆に今度はピストンを冷やしてみると、気体分子のエネルギーが奪われて分子の運動が緩やかになり気体の体積が小さくなります。
圧力が一定の時、体積と温度が比例になるのがわかります。これを式で表したのがシャルルの法則です。
ボイルシャルルの法則を導く
ボイルシャルルの法則はボイルの法則とシャルルの法則を組み合わせたもの。ボイルシャルルの法則の右辺の定数は、ボイルの法則とシャルルの法則、その両方が同時に成立するように定められたものです。
特殊な例として、気体の物質量が1[mol]の時の定数を（気体定数）として定義します。
（：気体定数）
まとめ
圧力・体積・温度の関係性について、ボイルシャルルの法則で具体的に理解できましたか？
ただ関係式を覚えるだけではなく、なぜその式が成り立つのか？その背景まできちんと理解して公式を使いこなしましょう！
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