熱物理学
理想気体の状態方程式
状態方程式に基づく圧力の T、n、V 依存性を確認し、p–V グラフの等温線を読み取ります。 温度や気体量を変えたときの圧力と体積を測定し、 を確かめます。
⚠ シリンダー内の気体は仮想です。密閉容器を自作したり、耐圧でない器具内の気体を加熱したりしないでください。
器具
- 理想気体粒子を含むピストンシリンダー
- 温度 T・体積 V・物質量 n のスライダー、p–V グラフ
手順
状態変数を確かめる
n を固定して T スライダーを上げ、圧力表示と現在の等温線を追います。T を戻し、体積スライダーで V を小さくして p が上がることを確認します。最後に T、V を固定して n を増やし、圧力を比べます。各変化を pV = nRT と照合します。粒子運動とグラフは理想気体モデルの説明です。 表示された値を次の式と比較します： .
等温線を比べる
n を一定にして T をいくつか変え、p–V グラフの曲線を観察します。T を上げ、同じ V で圧力を比べて、pV = nRT の積が T とともに増えることを確かめます。 表示された値を次の式と比較します： .
体積と気体量を変える
T と n を一定にして V を小さくし、p が増えることを観察します。次に V を戻して n を増やし、圧力を比べます。各条件を p = nRT/V と照合し、どの変数を固定したか記録します。 表示された値を次の式と比較します： .
シミュレーション
実験の歴史
気体分子運動論は、非常に多くの分子の運動によって巨視的な熱力学量を説明します。19世紀には、ルドルフ・クラウジウスやジェームズ・プレスコット・ジュールらが熱、仕事、微視的運動の関係を発展させ、理想気体の現代的な理解を築きました。分子が弾性衝突し、衝突の間の相互作用を無視できるとき、圧力は容器壁への運動量移送と関係し、温度は並進運動の平均運動エネルギーを表します。
状態方程式 pV = nRT は圧力 p、体積 V、物質量 n、絶対温度 T を平衡関係で結びます。他の変数を一定にすれば、p は T または n とともに増え、V が大きくなると小さくなります。p–V グラフでは各温度が等温線になります。実在気体がこのモデルに近づくのは、密度が高すぎず分子間相互作用が弱いなど、条件が適切な場合です。動く粒子とグラフは傾向を示す説明であり、すべての衝突、分子の大きさ、実在気体のずれを完全に表すものではありません。