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クルマと科学週間 四日目 ータイヤー

ボイルの法則

ボイルの法則とは一定質量の気体の圧力(P)と体積(V)は、温度は一定ならば互いに反比例する。PV=一定。

いつも当然のこととして見過ごしている。
しかし改めて不思議に思い出すと、凄いもんだなと感じざるを得ない現象があるもんですよね。

車のタイヤもそう。
よくもまぁ、2トン5トンもある車体を、空気しか入ってないタイヤで支えられるもんだ、と思う。

タイヤのチューブには、普通1,8から2kg/cm²ぐらいの圧力で空気が詰め込んであります。
1気圧はほぼ1kg/cm²に相当するので、その2倍の圧力を持たせてある事になります。
だからこそ、人や荷を積んだ車の重みを支えても、元々の円形を十分に維持し、
あまり摩擦を増やさずに車を走らせられるのです。

このように、気体をタイヤのチューブのような容れ物に閉じ込めると、必ず一定の強さの圧力を容れ物の壁に及ぼします。(注1、下記参照)

さて内部の気体を漏らさぬようにしたまま、温度も変えずに、容れ物の体積だけを膨張させてみましょう。
直方体の一辺の長さを、下の画像(手書きで申し訳ない;)のように2倍にする。

良い画像が見つからなかったんです;スイマセン!

2baidesuyo.jpg


紙面に対して直角な断面は同じに保ち、体積を2倍にする。
上下方向に運動している1個の分子は、そうすると、上下の壁に衝突する回数は2分の1に減る。
これは気体が容れ物に加える圧力が半分になった事を意味します。

体積をこのように2倍、3倍…としていくと、圧力は2分の1、3分の1…になっていきます。
つまり体積と圧力の積は変わらず反比例するのです。
これがボイルの法則です。

もっともロバート・ボイル(1627~1691)は最初からこのように考えて法則を言い出したのではないのです。
むしろ反対で、
※トリチェリーの実験を追試し、気体の体積と圧力が反比例する関係を見つけ、
そこから気体が分子(原子)あるいは粒子から成り立っているのではないかと考えていき、ボイルは原子(分子)説、粒子説の立場を固めたのです。(注2、下記参照)


(注1)
容れ物の中の気体の分子は厖大な数が含まれています。
0℃1気圧の状態で1cm³内に1兆のさらに3千万倍くらいの分子が含まれています。
それならギシギシに一杯詰まっているのかといえば、そうではないんです。
ひとつひとつの分子があまりにも小さいので、分子間のすき間はかなり空いています。
そこで分子同士はあまり衝突せず、自由に容れ物の中を飛び回り、容れ物の壁との衝突を繰り返しています。
それらの合力をとると、壁に対して1気圧の圧力を及ぼす事となるのです。

(注2)
物質がコンニャクのようにびっしり連続して成り立っているとするアリストテレスの連続体説では、
ボイルの法則が説明困難です。
押されてくぼんだ部分がどこかへはみ出していくはずです。
それに対し、粒子説は説明しやすい。
ボイルから約200年後に現れた気体分子運動論はまさしくそのように考えました。
ボイルは200年も先駆していたのです。



トリチェリーの実験は明日の休憩コラムで!


Artist : Susan Boyle
Song : Cry Me A River



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