シャルルの法則 または体積の法則 は、一定量の気体の体積と温度が一定の圧力で比例するという理想気体の法則です。気体の温度が 2 倍になると、その体積は 2 倍になります。気体の温度を半分にすると、その体積は半分になります。この法律の名前は、1780 年代に法律を策定したフランスの科学者ジャック シャルルにちなんで付けられました。
シャルルの法則は、一定の圧力でガスの温度を上げると、その体積が増加すると述べています。
シャルルの法則の公式
チャールズの法則を式として述べるには、いくつかの方法があります:
V∝T
V/T =k
V =kT
V1 /T1 =V2 /T2
V2 /V1 =T2 /T1
V1 T2 =V2 T1
ここで、T は絶対温度、V は体積、k はゼロ以外の定数です。絶対温度とは、摂氏と華氏の温度をケルビンに変換する必要があることを意味することに注意してください。容積対圧力のグラフは、線形関係を示しています。また、線は原点を指していますが、ガスは最初に液体または固体に変化するため、そこに到達することはできません.
日常生活におけるシャルルの法則の例
日常生活でチャールズの法則の例を見つけるのは簡単です。
- 熱気球はチャールズの法則に基づいて飛行します。バルーン内の空気を加熱すると、バルーンの体積が増加します。これにより密度が低下するため、風船は空中に上昇します。下降するには、空気を冷やして（加熱せずに）気球をしぼませます。ガスの密度が高くなり、気球は沈みます。
- 暑い日に風船を膨らませて外に出すと、風船が膨らみます (破裂する可能性があります)。冬の日に屋外に出すとしぼみますが、室内に戻すと元の音量に戻ります。シャルルの法則を使えば、気球を温度計の代わりに使うこともできます。
シャルルの法則の計算例
例 #1
気体は、温度 0 °C、圧力 760 mm Hg で 221 cm を占めます。 100 °C での体積を求めてください。
まず、プレッシャーを心配しないでください。数値は計算に入りません。重要なのは、定数であることだけです。
式を使用します:
V1 /T1 =V2 /T2
0 °C と 100 °C をケルビンに変換:
V1 =221cm; T1 =273K (0 + 273); T2 =373K (100 + 273)
値を方程式に代入し、V2 を解きます :
V1 /T1 =V2 /T2
221cm / 273K =V2 / 373K
V2 =(221cm)(373K) / 273K
V2 =302cm
例 #2
窒素ガスのサンプルが 27 °C から開始し、体積が 600 mL から 700 mL に変化した場合、定圧での窒素ガスのサンプルの最終温度を求めます。
最初に温度をケルビンに変換します。
T1 =273 + 27
T1 =300K
次に、数値を入力します。
V1 /T1 =V2 /T2
600 mL/300 K =700 mL/T2
(T2 )(600mL/300K)=700mL
T2 =(700 mL)/(600 mL/300 K)
T2 =(700 mL)/(2mL/K)
T2 =350K
温度がケルビンでなければならない理由
シャルルの法則の計算では、ケルビン スケールなどの絶対スケールで温度が必要です。したがって、式を使用するには、摂氏または華氏からケルビンに変換する必要があります。これには 2 つの理由があります。まず、摂氏と華氏の目盛りの負の温度は、不可能な負の体積計算につながる可能性があります。第 2 に、エネルギーは相対スケールを使用して適切にスケーリングされません。したがって、20 K のガスは 10 K のガスの 2 倍のエネルギーを持ちますが、20 °C のガスは 10 °C と比べて、20 °F は 10 °F と比べて同じではありません。
絶対零度で何が起こる?
他の理想気体の法則と同様に、チャールズの法則は極端な条件下では適用されません。絶対零度では意味がありません。まず、物質の体積がゼロになることはありません。第二に、圧力が一定の気体は、温度が下がると最終的に液体または固体に変化します。
参考文献
- フリック、P. (1994)。 物理 .ハイネマン。 ISBN 978-0-435-57078-1.
- Gay-Lussac, J. L. (1802). 「Recherches sur la dilatation des gaz et des vapeurs」[ガスと蒸気の膨張に関する研究]。 Annales de Chimie . 43:137–75。
- Krönig, A. (1856). 「Grundzüge einer Theorie der Gase」。 Annalen der Physik . 99 (10):315–22. doi:10.1002/andp.18561751008
