理想気体の状態方程式とは？意味や使い方を化学系学生ライターがわかりやすく解説
よぉ、桜木建二だ。今回は「理想気体の状態方程式」について勉強していこう。理想気体の状態方程式は高校物理や高校化学の基本中の基本となる、非常に重要な考え方だ。
そんな基礎となる方程式について、化学系学生ライターずんだもちと一緒に解説していくぞ。
解説／桜木建二
「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。
ライター／ずんだもち
化学系の研究室で日々研究を重ねる理系学生。1日の半分以上の時間を化学実験に使う化学徒の鑑。受験生のときは化学が得意でなかったからこそ、化学を苦手とする人の立場に立ってわかりやすく解説する。
1-1.理想気体とは？
理想気体とは、「計算などを簡単にするために、現実の気体の特徴を簡略化した気体」です。現実の気体(=実在気体)の性質はとても複雑で、簡単には理解できません。例えば、気体の種類によって分子間に働く力の大きさが変わります。気体ごとに動きが変わってしまっては大変な労力が必要ですね。
そこで、理想気体では気体の種類ごとに違うこのような性質を全て無視します。具体的に無視するのは、「気体分子自身の体積」と「気体分子間に働く分子間力」です。この2つを無視するだけで気体の挙動は格段に単純になります。そしてその結果、気体は高校生でも分かるような単純な1つの式で表すことができるようになる。それが理想気体の状態方程式なのです。
桜木建二
ときどき「完全気体」という言葉を目にすることがある。
これは理想気体と同じ意味だから、この呼び方も抑えておくといいぞ。
1-2.単純化しても問題ない？
image by iStockphoto
先ほどの説明を見て、分子の大きさや分子間力といった重要な性質を無視してしまっても大丈夫なのか、と思った人もいると思います。
実際、理想気体の挙動が実在気体とは大きく変わってしまうのは確かです。例えば、気体分子には大きさがないので、気体の粒子どうしが衝突することはありません。さらに、分子間力が存在しないため気体はどんなに温度を下げても液体になりません。それでも、理想気体は非常に重要なモデルとして広く知られています。なぜ理想気体が重要なのかを簡単に説明していきますね。
まず、実在気体にも理想気体に似た性質を示す場合があるということが知られています。それは「高温・低圧」の条件のときです。このキーワードは非常に重要なので、確実に抑えておきましょう。
気体が高温のときは、分子は激しく運動しています。つまり、実在気体においても分子間力はほとんど分子の動きに関わっていないと考えることができますね。気体は分子間力の影響を受けないほどに速く運動していて、分子間力が働いていない理想気体と似たような状態になるのです。
また、気体が低圧のときは気体分子の密度が低い状態になります(これがしっくりこないという場合は、状態方程式が出てくるまで読み進めてみてください)。密度が低いということは、気体が占める空間の大きさに対して気体分子自身の体積が無視できるほど小さいということになります。これが、実在気体が低圧条件で理想気体に近づく理由です。
これらの理由から、ここまで単純化してしまった理想気体というモデルでも使いどころがあることが分かりますね。
桜木建二
実在気体のモデルは理想気体の他にも多く存在するぞ。
そしてそれらは理想気体の状態方程式を少し改良したものなんだ。
そういうった意味でも理想気体は大切な考え方だぞ。
＼次のページで「2.理想気体の状態方程式」を解説！／
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