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わかりやすく解説

3.PVの正体からボイルの法則を考察

圧力Pと体積Vの掛け算PVの意味

PV=一定のPV

実はこのPVは気体の持つエネルギー。これを理解していると、単にPV=一定と暗記するより、知識が定着しやすいでしょう。

絶対温度が同じ気体は?

絶対温度が同じ気体は?

image by Study-Z編集部

気体の粒子は絶対零度(セ氏-273℃)でなければ何らかの運動をしています(熱運動)。

そもそも、絶対温度は、実はこの熱運動を元に定義されているもの。

熱運動が0なら、絶対温度が0K(ケルビン)。熱運動が2倍にの時、絶対温度も2倍。そのような定義。

つまり、温度が同じ気体は同じだけ熱運動をしている=おなじだけ熱エネルギーを持っています。

セ氏温度と絶対温度の基準

セ氏0℃=273.13K。なんでこんな中途半端?0℃と0Kの基準が違うから。

氷から水になる温度を0℃、水が気体になる温度を100℃という基準をもとに決めたのがセルシウス温度、熱運動が0の時の温度を0K(ケルビン)としたのが絶対温度。基準が違うため、セ氏温度と絶対温度を比較したらとても中途半端な値に。

ただ、1ケルビンと1℃の幅は同じに設定されています。

PVの単位

さてここで、圧力P[Pa]と体積V[m^3]の掛け算PVの単位を見ていきましょう。

圧力の単位Pa→N/m^2から、PVの単位はNm=kg・m/s^2・m=kg・m^2/s^2

実はこれ、エネルギー[J]と同じ単位

例えば位置エネルギーは質量x重力加速度x高さ=m[kg]・g[m/s^2]・h[m]から、単位はkg・m^2/s^2

運動エネルギーは1/2x質量x速度の2乗=1/2・m[kg]・v^2[m^2/s^2]から単位はkg・m^2/s^2。同じですね。

よって、圧力Pと体積Vの掛け算PVの正体はエネルギーであることを確認できます。

正確には気体の持っている熱運動によるエネルギー。

同じ温度の気体は熱運動のエネルギーは一定なのでPVも一定という訳です。

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