設定:容量 $V_A = V_B = 2\;\text{L} = 2.0 \times 10^{-3}\;\text{m}^3$ の容器A、B。容器Aに $n = 1.5\;\text{mol}$ の理想気体が温度 $T = 300\;\text{K}$ で入っている。容器Bは真空。$R = 8.3\;\text{J/(mol·K)}$。
(1) コックを開く前の容器Aの圧力:
状態方程式 $pV = nRT$ を容器Aに適用します:
$$p_A = \frac{nRT}{V_A} = \frac{1.5 \times 8.3 \times 300}{2.0 \times 10^{-3}}$$ $$= \frac{3735}{2.0 \times 10^{-3}} = 1.8675 \times 10^6 \fallingdotseq 1.9 \times 10^6 \text{ Pa}$$(2) コックを開いて温度 300 K のまま平衡になった場合:
物質量は保存され、全体積 $V = V_A + V_B = 4.0 \times 10^{-3}\;\text{m}^3$ に広がります:
$$p = \frac{nRT}{V} = \frac{1.5 \times 8.3 \times 300}{4.0 \times 10^{-3}}$$ $$= \frac{3735}{4.0 \times 10^{-3}} \fallingdotseq 9.3 \times 10^5 \text{ Pa}$$これは(1)の圧力のちょうど半分です(温度一定で体積が2倍になったため、ボイルの法則 $pV = \text{一定}$ より)。
(1) $p_A \fallingdotseq 1.9 \times 10^6\;\text{Pa}$
(2) $p \fallingdotseq 9.3 \times 10^5\;\text{Pa}$(元の圧力の半分)
容器Aを $T_A = 300\;\text{K}$、容器Bを $T_B$ に加熱した場合、平衡状態では圧力は等しくなりますが、各容器の気体の物質量は異なります。
$n_A + n_B = n$ と $p = \dfrac{n_A R T_A}{V_A} = \dfrac{n_B R T_B}{V_B}$ の連立方程式を解くことで求まります。
状態方程式 $pV = nRT$ を使うとき、単位を SI に統一すること。$V$ は m³($1\;\text{L} = 10^{-3}\;\text{m}^3$)、$R = 8.3\;\text{J/(mol·K)}$。真空への自由膨張では物質量が保存され、温度一定なら $p \propto \dfrac{1}{V}$ です。