高校 · 10分
ピストン中の気体：圧力・体積・温度
動き回る粒子でできた気体を圧縮・加熱し、PV = nRT が成り立つ理由を見る。
目的
ボイルの法則とゲイ＝リュサックの法則を確かめ、粒子の運動と結びつける。
器具と試薬
可動ピストン付きのシリンダーに入れた理想気体、温度計と圧力計。
手順
- T = 300 K、n = 1 mol で V を 10 L から 5 L に動かし、圧力を記録する。
- V = 10 L に戻し、T を 300 K から 600 K に上げる。
- T と V を一定にして気体の量を2倍にする。
観察すること
- V を半分にすると P は2倍（2.49 → 4.99 bar）、T を2倍にすると P は2倍、n を2倍にすると P は2倍。
- T が高いほど粒子は速く動き（速さは √T に比例）、V が小さいほど壁に頻繁にぶつかる。
解説
圧力は壁への無数の衝突から生じる。体積が小さいと1秒あたりの衝突回数が増えるので、 と が一定なら 。温度が高いと粒子は速く、強く、頻繁にぶつかるので、 一定なら 。粒子が多いと衝突も増えるので 。まとめて 。表示される圧力はこの法則から計算した値で、粒子は理想気体と同じく互いに衝突せず、その様子を示しているだけである。
実験の歴史
ロバート・ボイルは1662年にJ字管に空気を閉じ込め、圧力と体積が互いに逆方向に動くことを発見した — 最初の定量的気体法則である。続いてゲイ＝リュサックとシャルルは、加熱した気体が絶対温度に厳密に比例して膨張することを示し、アボガドロは欠けていた変数、粒子数 を加えた。1834年にクラペイロンがこれらを に統合した — このシミュレーションのピストンが従う法則である。
ゆかりの化学者
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バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。