基本問題233 ボイルの法則

温度一定での圧力・体積変化

直感的理解
温度が一定のとき、気体の圧力と体積は反比例の関係にあります(ボイルの法則)。圧力を6倍にすると体積は $\frac{1}{6}$ になります。p-Vグラフ上では双曲線を描きます。

設定:温度27℃で一定。初めの状態 $p_1 = 3.0 \times 10^4\;\text{Pa}$, $V_1 = 3.6 \times 10^{-3}\;\text{m}^3$。変化後 $p_2 = 1.8 \times 10^5\;\text{Pa}$。

ボイルの法則:温度一定で $p_1 V_1 = p_2 V_2$

数値代入:

$$3.0 \times 10^4 \times 3.6 \times 10^{-3} = 1.8 \times 10^5 \times V_2$$

計算:

$$V_2 = \frac{3.0 \times 10^4 \times 3.6 \times 10^{-3}}{1.8 \times 10^5} = \frac{108}{1.8 \times 10^5} = 6.0 \times 10^{-4} \text{ m}^3$$

あるいは圧力比で考えると:$\dfrac{p_2}{p_1} = \dfrac{1.8 \times 10^5}{3.0 \times 10^4} = 6$ 倍なので、体積は $\dfrac{1}{6}$ 倍。

答え:
$$V_2 = 6.0 \times 10^{-4}\;\text{m}^3$$
補足:理想気体と実在気体の違い

理想気体の状態方程式 $PV = nRT$ は高温・低圧で良い近似です。実在気体では分子間力と分子の体積の効果が無視できなくなります。

Point

ボイルの法則:温度一定のとき $pV = \text{一定}$。圧力が $n$ 倍になれば体積は $\dfrac{1}{n}$ 倍になります。計算では圧力比を先に求めると楽です:$\dfrac{p_2}{p_1} = \dfrac{1.8 \times 10^5}{3.0 \times 10^4} = 6$ 倍 → 体積は $\dfrac{1}{6}$ 倍。