シャルルの法則、または体積の法則は、1787 年に Jacques-Alexandre-Cesar Charles によって策定されました。この法則は、圧力が一定の場合、気体の体積は温度によって直接変化すると述べています。この法則は V∝T で表されます。ここで、V は体積、T は温度です。この法則は、熱気球、タイヤ、自動車エンジン内のガスの挙動を説明するために使用されます。
シャルルの法則の定義
シャルルの法則によれば、圧力を一定に保つと、気体の体積は温度によって直接変化します。 シャルルの法則の方程式は次のように表すことができます:
V∝T
ここで、V はガスの体積を表し、T は温度を表します。
法則は、体積が温度と共有する線形関係を規定しています。温度は従来、温度の SI 単位であるケルビンで測定されます。
ジョセフとエティエンヌ・モンゴルフィエが熱気で直径30フィートの気球を膨らませ、空中に浮かせたのは1783年の6月でした。巨大な曲線のエンベロープは、空中を 1.5 マイル移動した後、草や土に再会しました。このニュースはすぐにフランス中に広まりました。
この飛行を聞いて、Jacques-Alexandre-Cesar Charles は不思議な感覚に襲われ、自分の気球で同様の実験を行うことにしました (彼は有名な気球乗りとして知られています。一緒に見ることはありません) そして、現在シャルルの法則として知られているものを策定しました.
ジャック・シャルルは、5 つの風船に異なるガスを充填するという簡単な実験を行いましたが、圧力と体積は同じでした。 .その後、摂氏80度という非常に高温にさらされました。彼はそれらがすべて一様に膨張することを発見しました.
シャルルの法則の説明と表現
準説明は、物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルによって提供されました。彼は、ガスが占める空間の量は、純粋にその粒子の動きに依存すると主張しました.粒子は絶え間なくつまずき、粒子が入っている容器に衝突します。この無数のガス粒子の急速な攻撃は、容器の表面に力を及ぼします。その力は一定の圧力に変換されます。
このような衝突の衝撃力は重要ではありませんが、全体として、衝突はコンテナの表面にかなりの圧力を加える可能性があります。たとえば、ヘリウム気球の中では、毎秒約 1 マイルの速度で、約 1024 (100 万 100 万) 個のヘリウム原子が毎秒 1 平方センチメートルのゴムに衝突します!この圧力はガス圧と呼ばれます。
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ガスの圧力は、衝突の大きさと特定の領域にかかる力の両方に比例します。したがって、衝突が多ければ多いほど、圧力は高くなります。重要な発見は、ガス粒子の運動とそれらの衝突の頻度がガスの温度に依存することでした。これは、より高温のガスが壁により強く押し付けられ、より高い圧力が発生することを意味します。これは、ゲイ・リュサックの法則として知られています。
ただし、容器の容積が固定されて制限されているか、単純に一定である場合、温度が上昇すると圧力が上昇することを理解することが不可欠です。 これは、ピストンを定期的に押したり引いたりするときに熱風を大量に放出するエアポンプの動作から明らかです。しかし、その過程でポンピングされるボール自体はどうなるでしょうか?
この加熱されたガスと接触すると体積が増加します。これは、その体積が制限されていないためです。ボールが膨張するにつれて、圧力は増加しているにもかかわらず、一定の飛躍的に増加し、それによって一定の値に制限されます。より多くの高温ガスが送り込まれるとゴムが膨張し、高揚した粒子が跳ね返って表面の内側を押し、表面を外側に押し出します。当然のことながら、シャルルの法則に従います。
上のグラフから明らかなように、シャルルの法則は絶対温度 (0 K または -273.15 C) の定義にも役立ちます。式によると、絶対温度は、気体の体積がゼロになる温度です。
シャルルの法則の適用
熱気球
これは、シャルルの法則の最も一般的な適用です。風にそよぐこれらの 1 つの精神的なイメージは、チャールズ自身がその膨張の背後にある根本的なメカニズムを熟考するように促したものです。紀元前 3 世紀以来、私たちは物体が押しのける流体よりも軽い場合、物体が流体に浮かぶことを知っていました。または単純に、浮遊しようとする流体よりも密度が低い場合、物体は浮遊します。
シャルルの法則は、熱気球の仕組みを簡潔に説明しています。シャルルの法則によると、気球に熱したガスを入れると体積が膨張します。体積が増加すると、気球は周囲の空気と同じ重量でより大きな体積を占めます — その密度は冷たい空気よりも小さくなり、その結果、気球は上昇し始めます.
これは、ヘリウム気球が低温にさらされると収縮する傾向がある理由も説明しています。内部の暖かい空気は本能的に熱力学の法則に従い、外部の寒い領域に向かって分散します。暖かい空気が離れると、内部の圧力が低下します。これは、冷たい空気分子が揺れ動くことが少なくなり、必要なスペースが少なくなるためです。簡単に言えば、気球内の温度が下がると、気球の体積も減少します。
膨らんだタイヤ
これは正確には適用ではなく、悪徳であり、おそらく 2 番目に引用されているシャルルの法則の適用です。チャールズの法則は、うだるような夏の暑さの中で立ち往生したときにタイヤから突き出た膨張したチューブに責任があります.外部の猛烈な熱が着実にチューブに流れ込み、タイヤが徐々に膨張し、変形したり、完全に破裂したりします.
夏の間はタイヤを定期的に点検することを強くお勧めします。不注意でサイクリングを続けると、非常に危険な結果を招く可能性があります。タイヤがさらに膨張すると、摩擦による必然的な熱の流入によってさらに悪化し、タイヤが破裂する可能性があります。うん、ありがとうチャールズ。
自動車
自動車のエンジンは、一連の並んだピストンで構成されており、ピストンの真上に液体がない場合と存在する場合 (それぞれ) に周期的に上下します。ピストンの両端は独特の方法でクランクシャフトに取り付けられているため、ピストンの上昇と下降によってシャフトが回転します。このクランクシャフトの両端は自動車の後輪に接続されているため、ロッドが回転するとホイールも回転します。
繰り返しますが、シャルルの法則は行動の真っ只中にあります。ピストンは、燃料の燃焼によって発生するガスによって押されます。燃焼により大量の熱が発生します。その結果、温度が急上昇し、変換されたガスがすぐに膨張し、その沸騰した粒子がピストンに向かって疾走します。彼らは全力でそれらを押し、車両を前方に押し出します。
