あなたがスキューバダイバーであり、タンクの空気容量を計算する必要があると想像してください。 または、バルーンを特定のサイズに膨らませて、バルーン内の圧力がどのようなものか疑問に思っていると想像してみてください。 または、通常のオーブンとトースターオーブンの調理時間を比較しているとします。 どこから始めますか？
これらの質問はすべて、空気の量と、気圧、温度、および体積の関係に関係しています。 そして、はい、それらは関連しています！ 幸いなことに、これらの関係に対処するためにすでに策定された多くの科学法則があります。 あなたはそれらを適用する方法を学ぶ必要があります。 これらの法律をガス法と呼びます。
気圧と体積：ボイルの法則
ボイルの法則は、ガスの体積とその圧力の関係を定義しています。 これを考えてみてください。空気でいっぱいの箱を取り、それを半分のサイズに押し下げると、空気分子は動き回るスペースが少なくなり、互いにぶつかり合うようになります。 空気分子の相互の衝突やコンテナの側面との衝突が空気圧を生み出します。
ボイルの法則は温度を考慮していないので、温度は一定でなければなりませんそれを使用するために。
ボイルの法則は、一定の温度で、特定の質量（または量）のガスの体積が圧力に反比例して変化することを示しています。
方程式の形では、それは次のとおりです。
P_1V_1 = P_2V_2
ここでP1 およびV1 は初期体積と圧力であり、P2 およびV2 新しい体積と圧力です。
例：空気圧が3000 psi（ポンド/平方インチ）で、タンクの容積（または「容量」）が70立方フィートであるスクーバタンクを設計しているとします。 3500 psiのより高い圧力のタンクを作成することにした場合、同じ量の空気を充填し、温度を同じに保つと仮定すると、タンクの容量はどのくらいになりますか？
与えられた値をボイルの法則に代入します。
3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3 = 3500 \ text {psi} \ times V_2
単純化してから、方程式の片側の変数を分離し、Vを解きます2:
V_2 = \ frac {3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3} {3500 \ text {psi}} = 60 \ text {ft} ^ 3
したがって、スキューバタンクの2番目のバージョンは60立方フィートになります。
気温と体積：シャルルの法則
体積と温度の関係はどうですか？ 温度が高くなると、分子の速度が上がり、コンテナの側面に衝突して外側に押し出されます。 シャルルの法則は、この状況の数学を示しています。
シャルルの法則一定の圧力では、ガスの特定の質量（量）の体積はその（絶対）温度に正比例すると述べています。
または：
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
シャルルの法則では、圧力を一定に保つ必要があり、温度はケルビンで測定する必要があります。
圧力、温度、体積：結合気体の法則
さて、同じ問題で圧力、温度、体積がすべて一緒になっている場合はどうなりますか？ そのためのルールもあります。 ザ・ボイル・シャルルの法則ボイルの法則とシャルルの法則から情報を取得し、それらをメッシュ化して、圧力-温度-体積の関係の別の側面を定義します。
ザ・ボイル・シャルルの法則与えられた量のガスの体積は、ケルビン温度と圧力の比率に比例すると述べています。 それは複雑に聞こえますが、方程式を見てください。
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
繰り返しますが、温度はケルビンで測定する必要があります。
理想気体の法則
ガスのこれらの特性に関連する最後の方程式の1つは、理想気体の法則. 法則は次の方程式で与えられます。
PV = nRT
ここで、P =圧力、V =体積、n =モル数、Rはユニバーサルガス定数、これは0.0821 L-atm / mol-Kに等しく、Tはケルビン単位の温度です。 すべての単位を正しくするには、に変換する必要がありますSI単位、科学界内の標準的な測定単位。 ボリュームについては、それはリットルです。 圧力、気圧; 温度については、ケルビン（n、モル数はすでにSI単位系です）。
この法則は、計算が規則に従うガスを扱うことを前提としているため、「理想気体の法則」と呼ばれます。 極端な高温または低温などの極端な条件下では、一部のガスは理想気体とは異なる動作をする場合があります 法律が示唆しますが、一般的に、法律を使用した計算は次のようになると想定するのが安全です。 正しい。
これで、さまざまな状況で空気量を計算するいくつかの方法がわかりました。