教科書(物理) 類題2:気体の混合

解法

直感的理解

2つの容器をつなぐと、気体が混ざって温度・圧力が均一になります。高温の気体が冷え、低温の気体が温まり、中間の温度に落ち着きます。物質量(mol数)の多い方に温度が引っ張られます。

Step 1:物質量を求める

例えば容器 A:p_A = 2.0 × 10⁵ Pa, V_A = 1.0 m³, T_A = 300 K のとき n_A = pV/(RT) = 2.0 × 10⁵ × 1.0 / (8.3 × 300) ≒ 80 mol。

各容器の物質量は状態方程式から:

$$n_A = \frac{p_A V_A}{RT_A}, \quad n_B = \frac{p_B V_B}{RT_B}$$

Step 2:混合温度

単原子分子の内部エネルギー保存(断熱混合)から:

$$\frac{3}{2}(n_A + n_B)RT_{\text{mix}} = \frac{3}{2}n_A RT_A + \frac{3}{2}n_B RT_B$$ $$T_{\text{mix}} = \frac{n_A T_A + n_B T_B}{n_A + n_B}$$

Step 3:混合後の圧力

$$p_{\text{mix}} = \frac{(n_A + n_B)RT_{\text{mix}}}{V_A + V_B}$$
答え
混合温度 \(T' \fallingdotseq 3.3 \times 10^{2}\) K(330 K)、混合後の圧力 \(p \fallingdotseq 8.3 \times 10^{4}\) Pa
補足:ダルトンの分圧の法則

混合後、各成分の分圧は:

$$p_A' = \frac{n_A RT_{\text{mix}}}{V_{\text{total}}}, \quad p_B' = \frac{n_B RT_{\text{mix}}}{V_{\text{total}}}$$ $$p_{\text{total}} = p_A' + p_B'$$

各気体が独立に全体積を占めるかのように振る舞い、全圧は分圧の和になります。

Point

気体の混合では内部エネルギー保存から混合温度を求め、状態方程式で圧力を求めます。物質量の多い方に温度が引っ張られます。