ボイルの法則(圧力と体積の関係)をシミュレーターを用いて解説！[物理入門]

2021-05-03　 ボイル・シャルルと状態方程式

前回記事では気体の圧力とは何かを説明しました。圧力は\(1m^2\)面積あたりにかかる力のことですね。

今回の記事では、その「圧力」と「体積」の関係について説明していきます。この2つの関係はボイルの法則で説明できます。

等温条件で、「圧力」と「体積」は反比例する！

気体の「圧力」と「体積」の関係について説明します。その関係性に焦点を当てるため、温度は変えないものとします。つまり、今まで説明してきたように、分子の速度は一定で変わらない状態とします。

この時、圧力をP(Pa)、体積をV(\(m^3\))とすると、↓のボイルの法則が成り立ちます。

つまり圧力と体積は反比例するという事です。これは、図を見て考えてみても自然です。

例えば↓の状態で圧力=10Paだったとします。分子は密状態ですね。

この体積を2倍に広げた時、分子の数はそのままのため、分子が疎の状態になります。こうなると、分子が壁にぶつかる頻度も1/2に下がるので、圧力も1/2になり、圧力=5Paです。

逆に体積を1/2にすると、気体の分子は超密になります。2倍の密度になるので、壁にも2倍ぶつかるようになり、圧力は2倍の20Paになります。

このように、ボイルの法則は、ある意味当たり前のことを言っています。
　

シミュレーターでボイルの法則を理解しよう！

上記で説明したボイルの法則を、シミュレーターを使って理解しましょう！

↓のスライドバーを動かして、「圧力」と「体積」が反比例することを確認しましょう！

次回、温度と体積の関係を考えていきます！

今回は圧力Pと体積Vの関係性について説明しました。繰り返しになりますが、等温条件では↓の式が成り立ちます。

「圧力」と「体積」は反比例するんです。

次回は逆に圧力固定の条件で、体積と温度がどういう関係(シャルルの法則)になるかを考察していきます！
　

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2．ボイルの法則(本記事)

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