等圧プロセス：定義、式、例

いくつかの理想化された熱力学的プロセスは、理想気体の状態がどのように変化するかを説明します。 等圧プロセスは、これらの1つにすぎません。

熱力学は、熱エネルギー（熱エネルギー）の伝達によってシステムに発生する変化の研究です。 温度の異なる2つのシステムが互いに接触しているときはいつでも、熱エネルギーはより高温のシステムからより低温のシステムに移動します。

多くの異なる変数が、この熱伝達の発生方法に影響を与えます。 関係する材料の分子特性は、熱エネルギーが1つのシステムから別のシステムにどれだけ迅速かつ容易に移動できるかに影響します。 たとえば、比熱容量（単位質量を摂氏1度上げるのに必要な熱量）は、結果の最終結果に影響します 温度。

ガスに関しては、熱エネルギーが伝達されると、さらに多くの興味深い現象が発生します。 ガスは大幅に膨張および収縮する可能性があり、その方法は、ガスが閉じ込められているコンテナ、システムの圧力、および温度によって異なります。 したがって、ガスがどのように機能するかを理解することは、熱力学を理解する上で重要です。

運動論は、統計力学を適用できるようにガスをモデル化する方法を提供し、最終的には状態変数のセットを介してシステムを定義できるようになります。

ガスとは何かを考えてみてください。すべてが互いに自由に動き回ることができる分子の束です。 ガスを理解するために、その最も基本的な構成要素である分子を調べることは理にかなっています。 しかし、当然のことながら、これはすぐに面倒になります。 たとえば、空気で満たされたガラスの中にある膨大な数の分子を想像してみてください。 その多くの粒子の相互作用を追跡するのに十分強力なコンピューターはありません。

代わりに、ガスをすべてランダムな動きをする粒子の集まりとしてモデル化することで、開始できます。 粒子の二乗平均平方根速度の観点から全体像を理解するには、 例。 個々の粒子に関連するエネルギーを特定するのではなく、分子の平均運動エネルギーについて話し始めると便利になります。

これらの量は、システムの状態を説明する量である状態変数を定義する機能につながります。 ここで説明する主な状態変数は、圧力（単位面積あたりの力）、体積（量）です。 ガスが占める空間の）と温度（これは、あたりの平均運動エネルギーの尺度です。 分子）。 これらの状態変数が互いにどのように関連しているかを調べることにより、巨視的なスケールで熱力学的プロセスを理解することができます。

理想気体とは、次の仮定がなされた気体です。

分子は点粒子のように扱うことができ、スペースを取りません。 （この場合、高圧は許可されません。そうしないと、分子が十分に接近して、その体積が適切になります。）

分子間力と相互作用はごくわずかです。 （温度が低すぎてこれが当てはまらないことはありません。 温度が低すぎると、分子間力が比較的大きな役割を果たし始めます。）

分子は互いに相互作用し、容器の壁は完全に弾性衝突します。 （これにより、運動エネルギーの保存の仮定が可能になります。）

これらの仮定が行われると、いくつかの関係が明らかになります。 これらの中には理想気体の法則があり、方程式の形で次のように表されます。

どこP圧力です、Vボリュームです、T温度です、nモル数です、Nは分子の数です、Rは普遍的な気体定数であり、kはボルツマン定数であり、nR = Nk​.

理想気体の法則と密接に関連しているのは、一定の圧力の場合、体積と温度が正比例する、またはV / T=定数。

等圧プロセスは、一定の圧力で発生する熱力学的プロセスです。 この領域では、圧力が一定に保たれているため、シャルルの法則が適用されます。

圧力が一定に保たれているときに発生する可能性のあるプロセスのタイプには、等圧膨張が含まれます。 温度が下がると増加し、温度が下がると体積が減少する等圧収縮 増加します。

電子レンジに入れる前にプラスチックの通気口を切る必要がある電子レンジの食事を調理したことがある場合、これは等圧膨張によるものです。 電子レンジの内部では、プラスチックで覆われたミールトレイの内側と外側の圧力は常に同じであり、常に平衡状態にあります。 しかし、食品が調理されて加熱されると、温度の上昇の結果としてトレイ内の空気が膨張します。 通気孔がない場合、プラスチックが破裂するまで膨張する可能性があります。

自宅での等圧圧縮実験をすばやく行うには、膨らませたバルーンを冷凍庫に入れます。 この場合も、バルーンの内側と外側の圧力は常に平衡状態になります。 しかし、気球内の空気が冷えると、結果として気球は収縮します。

ガスが入っている容器が自由に膨張および収縮し、外圧が一定のままである場合、 圧力の違いは、その違いが次のようになるまで膨張または収縮を引き起こすため、プロセスは等圧になります 解決しました。

熱力学の第1法則は、内部エネルギーの変化は次のように述べています。Uシステムのは、システムに追加された熱エネルギーの量の差に等しいQシステムによって行われるネットワークW. 方程式の形式では、これは次のとおりです。

温度が分子あたりの平均運動エネルギーであったことを思い出してください。 その場合、内部エネルギーの合計は、すべての分子の運動エネルギーの合計になります（理想気体の場合、位置エネルギーは無視できると見なされます）。 したがって、システムの内部エネルギーは温度に正比例します。 理想気体の法則は圧力と体積を温度に関連付けるため、内部エネルギーも圧力と体積の積に比例します。

したがって、熱エネルギーがシステムに追加されると、内部エネルギーと同様に温度が上昇します。 システムが環境で機能する場合、その量のエネルギーが環境に失われ、温度と内部エネルギーが低下します。

PV図（圧力対のグラフ） ボリューム）、等圧プロセスは水平折れ線グラフのように見えます。 熱力学的プロセス中に行われる仕事の量はPV曲線の下の面積に等しいため、等圧プロセスで行われる仕事は単純に次のようになります。

熱機関は、ある種の完全なサイクルを介して熱エネルギーを機械エネルギーに変換します。 これには通常、仕事をして外部の何かにエネルギーを与えるために、サイクルのある時点でシステムを拡張する必要があります。

三角フラスコがプラスチックチューブを介してガラス製注射器に接続されている例を考えてみましょう。 このシステム内には、一定量の空気が閉じ込められています。 シリンジのプランジャーが自由にスライドして可動ピストンとして機能する場合、フラスコを熱浴（お湯の浴槽）に入れると、空気が膨張してプランジャーを持ち上げ、作業を行います。

このような熱機関のサイクルを完了するには、シリンジを再び開始状態に戻すことができるように、フラスコを冷浴に入れる必要があります。 プランジャーを使用してマスを持ち上げたり、移動中に他の形式の機械的作業を行ったりするステップを追加できます。

他の記事でより詳細に説明されている他のプロセスには、次のものがあります。

​等温温度が一定に保たれるプロセス。 一定の温度では、圧力は体積に反比例し、等温圧縮は圧力の増加をもたらし、等温膨張は圧力の減少をもたらします。

で等積プロセスでは、ガスの体積は一定に保たれます（ガスを保持するコンテナは堅固に保たれ、膨張または収縮できません）。 ここで、圧力は温度に正比例します。 音量は変わらないため、システム上またはシステムで作業を行うことはできません。

で断熱プロセスでは、熱は環境と交換されません。 熱力学の第1法則に関して、これはQ= 0であるため、内部エネルギーの変化は、システム上またはシステムによって実行されている作業に直接対応します。