Subject   : ボイル・シャルルの法則

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 ボイル・シャルルの法則
● ボイルの法則
イギリスのボイル(Boyle, Robert)[1627〜1691]は、 一定温度の気体の体積は圧力に反比例する ことを実験的に見出した。 これがボイルの法則である。 これは、圧力をp、体積をVとすると、
pV=k
と書かれる。 kは温度により変わり、高温では大きく、低温では小さい。

● シャルルの法則
それから100年以上たってから、 フランスのシャルル(Chales, Jacques Alexandre Cear)[1746〜1823]は、 一定圧力の気体の体積は温度が1℃上がるごとに、 0℃のときの体積の1/273.15ずつ増加することを発見した。 (実験的に確立したのはゲーリュサックである。(1802)) これは、体積をV、温度をtとすると、
V=V0(1+t/273.15)
と書かれる。 ここで、V0は0℃での気体の体積である。 ここで絶対温度Tを用いると上式は、
V=V0T/273.15
と書ける。 また、
V/T=一定
と変形できる。 すなわち 一定圧力の気体の体積は絶対温度に比例する 。 絶対温度が0 Kの時の体積は0であることが分かる。 歴史的には、 体積が0になる温度を絶対零度 として絶対温度が定義された。

● ボイル・シャルルの法則
この二つの法則を合わせると、 気体の体積は、圧力に反比例し、絶対温度に比例する。 これをボイル・シャルルの法則という。 式で表すと、
pV/T= 一定
となる。また、 nモルの気体については、
pv=nRT
となる。ここで、Rは気体定数とよばれる定数で、
R=8.31J/mol・K
である。この式を状態方程式という。
 しかし、空気などの実在の気体は厳密に上式に合わない。 気体を冷やしていくと体積が0になる前に液体になってしまう。 さらに冷やすと固体になる。 このような現象は相変化 あるいは相転移とよばれる。 ただし例外もあり、ヘリウムは絶対零度まで液体である。 状態方程式を満たす仮想上の気体を理想気体という。


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