温度の低下は、含まれるガスの圧力にどのように影響しますか?

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著者: Peter Berry
作成日: 11 Aug. 2021
更新日: 12 5月 2024
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液体または固体の分子とは対照的に、気体の分子は、それらを閉じ込める空間で自由に移動できます。彼らは飛び回ったり、時々互いに衝突したり、コンテナの壁に衝突したりします。それらが容器の壁に及ぼす集合的な圧力は、彼らが持っているエネルギーの量に依存します。それらは周囲の熱からエネルギーを引き出すので、温度が上がると圧力も上がります。実際、2つの量は理想的なガスの法則によって関連付けられています。

TL; DR(長すぎる;読まなかった)

剛体の容器では、ガスによって加えられる圧力は温度によって直接変化します。容器が剛性でない場合、理想的なガスの法則に従って、温度と体積の両方が変化します。

理想的なガス法

多数の個人の実験的研究を通じて何年にもわたって導き出された理想的なガス法は、ボイルズ法およびチャールズ・アンド・ゲイ・リュサック法に準拠しています。前者は、与えられた温度(T)で、ガスの圧力(P)とそれが占める体積(V)が一定であると述べています。後者は、ガスの質量(n)が一定に保たれると、体積が温度に正比例することを示しています。最終的な形で、理想的なガス法は次のように述べています。

PV = nRTここで、Rは理想気体定数と呼ばれる定数です。

ガスの質量と容器の体積を一定に保つと、この関係は圧力が温度によって直接変化することを示しています。温度と圧力のさまざまな値をグラフ化すると、グラフは正の勾配を持つ直線になります。

ガスが理想的でない場合

理想的なガスとは、粒子が完全に弾性を持ち、互いに引きつけたり反発したりしないと想定されるガスです。さらに、ガス粒子自体には体積がないと想定されています。これらの条件を満たす実ガスはありませんが、多くはこの関係を適用するのに十分なほど接近しています。ただし、ガスの圧力または質量が非常に高くなった場合、または体積と温度が非常に低くなった場合は、実世界の要因を考慮する必要があります。室温でのほとんどのアプリケーションでは、理想的なガスの法則により、ほとんどのガスの挙動を十分に近似できます。

温度によって圧力が変化する方法

気体の体積と質量が一定である限り、圧力と温度の関係はP = KTになります。ここで、Kは体積、気体のモル数、理想気体定数から得られる定数です。理想的なガス条件を満たしたガスを堅い壁のある容器に入れて体積が変化しないようにした場合、容器を密閉し、容器の壁の圧力を測定すると、温度を下げると低下することがわかります。この関係は線形であるため、特定の温度でガスの圧力を推定するための線を引くには、温度と圧力の2つの読み取り値が必要です。

気体分子の不完全な弾性が結果に影響を与えるほど重要になると、この線形関係は非常に低い温度で崩れますが、温度を下げても圧力は低下します。気体分子が気体を理想的なものとして分類できないほど大きい場合も、関係は非線形になります。