物質の性質: 気体

ガスは、あらゆるサイズや形状の容器に均一に充填されます。

気体は、固定された形状と固定された体積を持たない物質の状態です。 気体は、固体や液体などの他の状態の物質よりも密度が低くなります。 粒子間には大量の空の空間があり、それらは多くの運動エネルギーを持っており、特に互いに引き付けられることはありません。 ガス粒子は非常に速く移動し、互いに衝突し、容器の体積全体に均一に分布するまで拡散または広がります。

教育ウェブサイト Lumen Learning によると、ガスは容器で完全に囲まれるか、重力によって保持されることによってのみ封じ込められます。

より多くのガス粒子が容器に入ると、粒子が広がるスペースが減り、粒子は圧縮されます。 粒子は、容器の内容積に対してより大きな力を及ぼします。 この力を圧力といいます。 圧力を表すために使用される単位がいくつかあります。 最も一般的なものには、大気圧 (atm)、平方インチ当たりのポンド (psi)、水銀柱ミリメートル (mmHg)、およびパスカル (Pa) があります。 単位は次のように相互に関係します: 1 atm = 14.7 psi = 760 mmHg = 101.3 kPa (1,000 パスカル)。

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パデュー大学によると、気体は適切な温度で圧縮することで液体に変換できるという。 しかし、臨界温度に達すると、どれだけ圧力をかけても蒸気は液化できなくなります。 臨界圧力は、臨界温度でガスを液化するのに必要な圧力です。

Engineering Toolbox に基づくさまざまな物質の臨界温度と臨界圧力の例

方程式では P として示される圧力のほかに、気体には温度 (T)、体積 (V)、モル数 (n または mol) で表される粒子の数などの測定可能な特性があります。 ガス温度を扱う作業では、ケルビンスケールがよく使用されます。

温度と圧力は場所によって異なるため、科学者は計算や方程式で標準温度および圧力 (STP) と呼ばれる標準基準点を使用します。 標準温度は水の凝固点、華氏 32 度 (摂氏 0 度、または 273.15 ケルビン) です。 標準気圧は 1 気圧 (atm)、つまり海面で地球の大気が及ぼす圧力です。

気体の温度、圧力、量、体積は相互依存しており、多くの科学者がそれらの間の関係を説明する法則を開発しました。

1662 年にこの理論を最初に述べたロバート ボイルにちなんで名付けられました。ボイルの法則は、温度が一定に保たれると、体積と圧力は反比例の関係になると述べています。 つまり、カリフォルニア大学デービス校の ChemWiki によると、体積が増加すると圧力が減少します。

利用可能な空間の量を増やすと、ガス粒子がより遠くに広がることができますが、これによりコンテナと衝突できる粒子の数が減少するため、圧力が低下します。

コンテナの体積が減少すると、粒子の衝突頻度が高くなるため、圧力が増加します。 この良い例は、タイヤに空気を充填するときです。 より多くの空気が流入すると、ガス分子が密集して体積が減少します。 温度が同じであれば、圧力は上昇します。

1802 年、フランスの化学者で物理学者のジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックは、一定圧力に保たれた気体の温度と体積の直接的な関係を記述した論文の中で、同胞ジャック・シャルルが収集したデータを参照しました。 ほとんどの文献ではこれをシャルルの法則と呼んでいますが、ゲイ・リュサックの法則、またはシャルル・ゲイ・リュサックの法則と呼ぶ人もいます。

この法則は、気体の体積と温度には直接的な関係があることを示しています。つまり、圧力が一定に保たれている場合、温度が上昇すると体積が増加します。 ガスを加熱すると粒子の運動エネルギーが増加し、ガスが膨張します。 圧力を一定に保つためには、ガスを加熱するときに容器の体積を増加させる必要があります。

この法律は、密閉容器を決して加熱してはいけないことが重要な安全規則である理由を説明しています。 膨張するガスを収容するために利用できる体積を増やさずに温度を上昇させると、容器内に圧力が蓄積し、爆発を引き起こす可能性があります。 この法則は、七面鳥の焼き上がりになぜ七面鳥の温度計が飛び出すのかも説明しています。七面鳥の内部の温度が上昇すると、プランジャーの下に閉じ込められる空気の量が増加します。

1811 年、イタリアの科学者アメデオ アボガドロは、同じ温度と圧力の同じ体積の気体には、その化学的性質や物理的特性に関係なく、同じ数の粒子が含まれるという考えを提案しました。

1 モルの気体の単位温度あたりの運動エネルギーは定数値であり、フランスの化学者アンリ ヴィクトール ルノーにちなんでルノー定数と呼ばれることもあります。 それは文字 R で省略されます。 Regnault は物質の熱的性質を研究し、ボイルの法則が完全ではないことを発見しました。 物質の温度が沸点に近づくと、ガス粒子の膨張は正確には均一ではなくなります。

アボガドロ数、理想気体定数、およびボイルの法則とシャルルの法則の両方を組み合わせて、すべての粒子の衝突が完全に等しい理論上の理想気体を記述します。 法則はほとんどのガスの挙動を説明するのに非常に近いものですが、実際のガスでは実際の粒子サイズと微小な分子間力の違いにより、非常に小さな数学的誤差が生じます。 それにもかかわらず、これらの重要な法則は、理想気体の法則として知られる 1 つの方程式に組み合わされることがよくあります。 この法則を使用すると、他の 3 つの変数の値がわかっていれば、他の変数 (圧力、体積、数、温度) の値を見つけることができます。

超臨界流体とその用途について詳しくは、SciMed の記事をご覧ください。。ガスに関する子供向けの簡単な情報については、教育 Web サイト Love My Science をご覧ください。。教育 Web サイト Science Notes の有益な資料で、ガスの例をさらに見つけてください。

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