シャルルの法則 vs ボイルの法則

気体に関する法則として、シャルルの法則とボイルの法則は非常に重要な法則です。この2つの法則は理想気体の多くの性質を記述しています。これらの法則は、化学、熱力学、航空学、さらには軍事など、幅広い分野で活用されている。この2つの分野で活躍するためには、この2つの法則をよく理解することが不可欠です。今回は、シャルルの法則とボイルの法則とは何か、その定義、シャルルの法則とボイルの法則の応用、両者の類似点、そして最後にシャルルの法則とボイルの法則の相違点について説明します。

ボイルの法則

ボイルの法則は気体の法則である。理想気体として定義されている。理想気体に関するこれらの法則を正しく理解することが必要である。理想気体とは、各分子が占める体積がゼロであり、分子間の引力もゼロである気体のことである。このような理想的な気体は、現実には存在しない。現実に存在する気体をリアルガスと呼ぶ。実際の気体には分子容積があり、分子間力がある。実際の気体の全分子の総体積が容器の体積に比べて無視でき、分子間力が分子の速度に比べて無視できれば、その気体はその系にとって理想的なものとみなすことができる。ボイルの法則は、1662年に化学者・物理学者のロバート・ボイルによって定式化されたもので、次のように表すことができる。ある温度で一定量の理想気体が保たれている場合、圧力と体積は反比例する。

閉じた系とは、周囲とその系との間で質量交換はできないが、エネルギー交換は可能な系である。ボイルの法則は、一定温度における理想気体の圧力と体積の積が一定であることを示すものです。つまり、P V = K であり、P は圧力、V は体積、K は定数である。つまり、このような系の圧力が2倍になると、系の体積は元の半分になるのである。

シャルルの法則

シャルルの法則は、閉じた系で理想気体として定義される気体の法則でもある。これは、圧力一定の閉じた理想気体系では、系の体積は系の温度に比例することを述べている。この法則は、フランスの哲学者ジョセフ・ルイ・ゲイ・リュサックが最初に発表したものだが、彼はその発見者をジャック・シャルルとしている。この法則は、このような系では、温度と体積の比が一定でなければならないことを示している。つまり、V/T=Kで、Vは気体の体積、Tは気体の温度である。ただし、数学的にはこの比率はケルビンスケール、すなわち絶対温度スケールにのみ適用されることに注意しなければならない。