化学

「ボイルの法則」についてボールの空気入れに関連させて理系ライターが解説

よぉ、桜木建二だ。今回のテーマは、「ボイルの法則」。気体の体積と圧力に関する法則だ。

気体の圧力?、体積?サッカーボールやバスケットボールなど、ボールの中には空気が入っているな。気体の体積はボール内の空気の体積、圧力はボールの張り具合(硬さ)をイメージしよう。

気体の体積と圧力に関する法則(ボイルの法則)をボール内の空気と絡めながら、理系ライターのR175と解説していくぞ。

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/R175

関西のとある理系国立大出身。エンジニアの経験があり、身近な現象と理科の教科書の内容をむずびつけるのが趣味。教科書の内容をかみ砕いて説明していく。

1.ボールに空気を入れると

image by iStockphoto

ボールに空気を補充するとどうなりますか。

膨らむ。
張りが強くなる(硬くなる)。

こんなところでしょうか。

さて、ボールに同じだけ空気を入れた時、ふんわり柔らかいボールは膨らみますが、サッカーボールのように硬いボールは膨らまずに硬くなりますね。

状態方程式があれば用なし?

状態方程式があれば用なし?

image by Study-Z編集部

この記事で紹介する「ボイルの法則」。実は、「気体の状態方程式」を理解していれば覚える必要はありません。「ボイルの法則」だけでなく、同じく気体に関連する「シャルルの法則」までもカバーできていしまいます。

「じゃあ、なんで解説するの?」

それは、気体の計算をする上で「臨場感」を増すためです。

気体の状態方程式でPV=nRTから、体積や圧力を計算するという求め方もあり、これさえ覚えておけばテストで気体の計算問題を解くのにことが足りてしまいます。

P:圧力、V:体積、n:気体の物質量、T:絶対温度で、R:モル気体定数。

しかし、それだとあまり実感がわきません。単なる式変形のような感覚になってしまい、漫然と解くことにつながり、応用問題に対応しにくい。そんなデメリットも考えられます。

この記事ではボイルの法則をボールへの空気入れに例え、実感しやすく工夫していますから、是非おもしろおかしく「ボイルの法則」をマスターしてください。

image by Study-Z編集部

ふんわりボール
ふんわり柔らかいボールの場合、空気を入れてもあまり硬くならず、膨らんでいきます。硬さ(空気の圧力)は変わらず、その代わり体積が増加しますね

カチカチボール
カチカチボールはそもそも表面が硬いので膨らみますね(体積は一定)。代わに、ボールの張り(空気の圧力)が高くなります

2.ボイルの法則とは

柔らかいボールは、体積大きく、圧力小さい。逆に硬いボール体積小さく、圧力が大きくなりますね。

つまり、圧力と体積はどちらかが大きいともう一方は小さく、トレードオフの関係にあります。

これを式に表したのがボイルの法則。温度が一定だと、圧力と体積の掛け算PV=一定の値になるというもの。

PV=C(Cは定数)なので、例えば圧力Pが2倍になると体積Vは半分に、体積が2倍になると圧力が半分になります。

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PV=(Cは定数)から、PとVの関係をグラフにプロットした曲線をみてみましょう。PとVは反比例の関係。

圧力が低く、体積が大きい状態は柔らかいボール、圧力が高く体積が小さいのは硬いボールの状態を想像してください。

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