理想気体の状態変化について教えて下さい。

質問

理想気体の状態変化について教えて下さい。

理想気体の状態変化には5つあると聞きました。
(１)等容変化　(２)等圧変化　(３)等温変化　(４)断熱変化　(５)ポリトロープ変化

難しい専門用語が飛び交っているのですが、それぞれの変化の具体例にはどのようなものがあるの
でしょうか？

お詳しい方いましたら、教えて下さい。

回答No.1

mienaikuuki · ベストアンサー

基本は断熱変化です。自転車の空気入れを思いっきり動かして空気を入れると空気入れも熱くなると思います。これは空気が圧縮仕事を受けてエネルギーを受け取ったから温度を上昇させたものです。このように熱の移動を断った状態変化が断熱変化です。
気体が密度を変化させるときには必ず状態変化の仕事を伴います。だから必ず仕事の分だけエネルギー量を変化させ温度が変わります。
等容変化というのは容積を変化させないので仕事を伴いません。だから単なる温度と圧力の変化です。等圧変化は圧力を一定に保つため温度を変えたときに暖めれば圧力が上がらないように外に向かって膨張仕事、冷やせば圧力が下がらないように外から圧縮仕事を受けます。だから同じ温度を上昇させるにも等容変化と等圧変化では等圧変化の方が大きなエネルギーを必要とするのです。
これは空気の比熱が2種類ある理由です。また比熱の差はガス定数になります。またシャルルの法則は等圧変化を示していることもわかると思います。さらに等圧変化では温度が変化しない範囲で加熱や冷却を行いながら体積を変化させることもできることが想像できると思います。このときの加熱や冷却したエネルギーは体積変化の仕事に費やされる分になります。だから等圧変化も内部では断熱変化を行っていることになります。では等温変化はというと状態を変化させる気体は仕事を受けたり与えたりすれば必ず温度が変化するので温度が変化しない状態変化など存在しないことになります。世間一般にいわれている等温変化は断熱変化の痕跡が残らない速度で熱交換を行っているだけの変化になります。空気が流れている時の状態変化などほとんどどころか全く温度が変わらず圧力だけ低下しながら流れたりしますがこれは可逆断熱変化と呼ばれます。可逆断熱変化では必要なだけ持っている圧力エネルギーを運動エネルギーに変えて仕事をしているのでエネルギーの総量に変化がないので温度変化がないだけです。また圧力容器の壁を移動させて膨張させるようなときに断熱変化に見られる計算式があわないのは膨張に外力による仕事が関わっていないからです。このような膨張時には容積が増えるのにあわせて仕方なく膨張しているのです。だから密度の変化量ではなく膨張速度に合わせて温度変化が現れます。断熱変化に出てくる式が使える断熱膨張はシャルルの法則の膨張だけです。最後にポリトロープ変化ですがこれはほとんど断熱膨張の実験で使われると思います。その理由はほとんどの膨張が外部の仕事に影響されていないからです。だから断熱変化の式の通りの式が使えないため使うのと、外部からの加熱や冷却が行われている場合に間に合わせに使うものといえます。だからポリトロープ指数は断熱変化の比熱比の定圧比熱部分のガス定数相当（仕事に必要なエネルギーを示す）を変化させたものとなり、比熱比との差は外部に依存することになります。（理想気体が状態変化を行うにはガス定数相当のエネルギーが必ず必要だからです。）だからこれらの状態変化は断熱変化の式で表すことができ比熱比をポリトロープ指数に置き換え1にすれば等温変化、無限大にすれば等容変化、０にすれば等圧変化となります。

お礼

詳しいご回答に感謝いたします。

ただ、少し私には難しすぎる内容でした。