熱力学、高校物理、ボイルの法則の実験

質問

（本の記述）
ボイルの法則は温度一定のもとで成り立つ法則ですが、その時、温度を一定に保つのに、温度センサーや加熱器を使ったりする必要はありません。シリンダーが熱を伝える材質でできていればよいのです。そのようなシリンダーで熱が伝わるのを待ちながらゆっくり変化させればよいのです。そうすれば自動的に外気と同じ温度が保たれます。ですのでボイルの法則を確かめる実験をするときは激しくピストンを動かしてはいけません。等温変化に関する実験を行うときはピストンをゆっくり動かさなければなりません。
（疑問）
シリンダーが熱を伝えてしまっては温度が変化してしまうと思うのですが、また、ピストンをゆっくり動かせとの指示の意図がわかりません。
教えてください。

回答No.1

NemurinekoNya · ベストアンサー

こんばんは。

☆シリンダーが熱を伝えてしまっては温度が変化してしまうと思うのですが
◇おっしゃるとおり！！
熱は高温側と低温側があり、高温側から低温側にエネルギーが伝わる現象です。
ですが、圧縮されることで受け取った仕事とシリンダーを伝わって逃げてゆく熱とがちょうど釣り合っていれば、プラスマイナスがゼロということで温度は上昇しない。

☆ピストンをゆっくり動かせとの指示の意図がわかりません。
◇かりにピストンを押して、シリンダー内のガスを圧縮するとします。
このとき、シリンダー内のガスは外から仕事をされる、つまりエネルギーを受けとるので、ガスの温度は上昇してしまいます。
ですから、ピストンを激しく動かすと、等温変化でなくなってしまいます。
シリンダー内の温度は一気に上昇してしまうためです。

ゆっくり圧縮しても、シリンダー内の温度はもちろん上昇します。
しかし、この時は温度上昇の速度がゆるやかなので、
短時間で、
ピストンやシリンダーを伝わって熱がシリンダー内のガスから外気へと熱が逃げていき、外気の温度と同じ温度になります。
このようにジワジワと押してゆけば、シリンダー内のガスの温度の上昇を抑えつつ、目的の体積まで圧縮できる、というわけです。
厳密にいうと等温変化ではありませんけれども、
等温変化になる。

お礼

ありがとうございました。
よろしければ、同様の疑問があるので、答えていただけないでしょうか?

回答No.2

gohtraw

ある状態（温度は外気と同じ）に対してピストンを動かすと、瞬間的には
断熱圧縮、あるいは断熱膨張なので、多かれ少なかれ温度が変化
します。この温度変化をできるだけ早く打ち消して外気と同じ温度に
するために熱伝導のいい材質が望ましいということです。これを等温
変化とするには外気温が一定という前提が必要ですけどね。

ゆっくりというのは急激な温度変化を避けるためだと思うのですが、
不活性な気体を使った実験で、装置に漏れがなく、温度が落ち着く
のに多少時間がかかってもいいのであれば別に素早く動かしても
結果は同じだと思います。ただ実際には漏れのない装置はない
のと、装置を傷つけないという意味ではやはりゆっくり動かすのが
いいのではないでしょうか。

お礼

ありがとうございました。
よろしければ、同様の疑問があるので、答えていただけないでしょうか?