気体の状態方程式ってなに?わかりやすく解説

この記事では「気体の状態方程式」について、式の成り立ちからわかりやすく解説をしていきます。

気体の状態方程式は気体の特性を理解するための重要な方程式で、物理だけでなく化学の分野でも重要な考え方です。

  • 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!

気体の状態は分子の運動で変わる

私たちを含めた地上の生物は空気がないと生きていけませんが、空気は目にすることができません。目に見えないのにそこにあるというのは、まるで「なぞなぞ」のような感覚ですが、空気が目に見えないのはそれを構成する気体分子がものすごく小さいためです。

気体を閉じ込めた容器の中では、数え切れないほど大量の目に見えない小さな気体分子が熱運動でランダムに飛び回っており、容器の壁にぶつかっては跳ね返る、を繰り返しています。

目に見えないほど小さいとはいえ、気体分子も大きさのある物体ですから、容器の壁には必ず影響を与えます。無数の気体分子の衝突によって容器の壁が押され、それによって圧力が生じます。

気体分子の運動を一般化して式にしたのが気体の状態方程式ですが、気体の状態方程式を学ぶ前に前提として知っておかないといけない法則があります。それが「アボガドロの法則」です。

アボガドロの法則

アボガドロの法則とは1811年にイタリアの科学者であるアメデオ・アボガドロが発見した法則です。

 

アボガドロの法則とは?

同温度、同圧力、同体積の気体は、気体の種類に関係なく同じ数の気体分子を含む

 

同じ温度・圧力・体積の下であれば、酸素であろうと水素であろうとヘリウムであろうと、気体の種類に関係なく分子の数が同じになる、というのがアボガドロの法則です。

これは現時点で完全に正しいことが確かめられていて、熱力学と化学の基礎を作り出した重要な法則です。

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気体の状態方程式

アボガドロの法則によると、n[mol]の気体が圧力p、絶対温度Tであるとき、体積V1[mol]n倍にならないとおかしいですよね。

このとき、1[mol]の気体に働くボイルシャルルの法則を思い出すと、気体の物質量がn[mol]のとき、以下の式が成り立ちます。

\frac{pV}{T}=nR・・・①

①式の分母を払うと以下の式が成り立ちます。

pV=nRT

これが気体の状態方程式です。

 

気体の状態方程式

pV=nRT

 

気体の状態方程式を実際の気体に当てはめると、高温かつ低圧の時に成立しやすくなります。これは

 

高温→分子の持つ運動エネルギーが大きくなるため分子間力の影響が小さくなるため

低圧→気体の体積あたりの分子の数が減るため、分子と分子の距離が開くため

 

上記の2つの理由から、気体分子同士の影響が減るためです。

ですが気体の大きさによって影響が多少変わるため、通常、気体の状態方程式を考える場合は理想気体を使って考えます。

理想気体

理想気体とは「気体の状態方程式に完全に従う気体」のこと。気体分子同士の衝突や分子間力を無視できる、実際には存在しない空想上の気体のことです。

詳しい説明は以下の記事でまとめてありますので、ぜひ合わせてチェックしてみてください。

【合わせて読みたい】
理想気体ってなに?わかりやすく解説してみた

まとめ

気体の状態方程式について、その成り立ちや背景について理解できましたか?

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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