熱力学に欠かせないボイル・シャルルの法則について説明したいと思います。
ボイルの法則
まずは、ボイルの法則の説明からです。
下図ような気体がシリンダーに詰まっている状態を考えます。
気体はびっしり詰まっているのではなく、粒子とすき間で構成されていて、押せばそのすき間が狭くなります。
すき間が半分になれば、粒の衝突回数が2倍になり、衝突によって圧力が生じると考えれば、圧力も2倍になります。この時、気体の温度は一定で変わらないようにします。
体積Vを変数x、圧力pを変数yと書き直すと、 C1 を定数とすると、
xy = C1
とあらわすことができます。
つまり、ボイルの法則は、
シリンダーのような閉じられた系で、温度を一定に保った場合、[圧力]と[体積]をかけた値が一定になるという法則です。
シャルルの法則
次は、シャルルの法則の説明です。
一定量の気体を下図のように、シリンダーに閉じ込めます。ピストンに力を加えなけば圧力は一定になるので、外から熱を加えて温度を上げると、分子の運動が活発になって気体は膨張します。
このとき、気体の体積と温度℃との関係は、実験によって下記の式で表されることが分かりました。
V =at + b = b(1+a/b t)
つまり、気体の体積は温度に比例します。
aは定数、bはt=0℃のときの体積であり(圧力一定なら気体の種類を問わず一定)、これをV。と表すことにします。
ここで右辺のa/bを体膨張率とよび、実験によればどんな気体でも1/273.15でしたので
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