- 科目
- 熱力学
- 章
- 状態変化
- 図番
- 04 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
押した仕事は、全部が熱になって出ていく等温変化
温度が変わらないように空気をゆっくり押すと、体積 1/2 で圧力は 2倍になる(pV が一定)。先をふさいだ注射器の 50 mL を 25 mL まで押すと、101 kPa が 202 kPa になり、押す仕事は 3.50 J。その 3.50 J は、全部が熱として筒から外へ出るので、温度は上がらない。

このページの内容
この単元のポイント
- 温度が同じなら、体積を 1/2 にすると、圧力は 2倍。体積 × 圧力 が一定のまま変わる。
- 先をふさいだ注射器の 50 mL を 25 mL まで押すと、圧力は 101 → 202 kPa(絶対圧)。押す仕事は 3.50 J()。
- その 3.50 J は、全部が熱として、筒と指から外へ出る。だから空気の温度は上がらない。
注射器の先をふさいで押すと
針を付けていない注射器に、空気を 50 mL 吸いこみます。先を指でふさいで、ピストンを押します。
押しこむほど、手ごたえが重くなります。中に閉じこめた空気が、強く押し返してくるからです。
ゆっくり押すと、空気の温度は、まわりと同じ 20℃ のままです。50 mL を 25 mL まで押したとき、中の圧力はどうなるでしょうか。
予想してから読む101 kPa(絶対圧)の空気 50 mL を、温度を変えずに 25 mL まで押すと、圧力は?
公式はこれ
温度を変えずに起きる変化を等温変化といいます。等温変化では、圧力と体積のかけ算が変わりません(ボイルの法則)。
| 記号 | 意味 | この単元の注射器で |
|---|---|---|
| ・ | 初めと終わりの圧力(絶対圧) | 101 kPa → 202 kPa |
| ・ | 初めと終わりの体積 | 50 mL → 25 mL |
| 空気の温度(押す間ずっと同じ) | 20℃ |
、 です。
これは、気体の状態式(絶対圧と絶対温度) の単元の式 で、質量 も温度 も変わらないときの形です。右辺が一定なので、左辺の も一定です。
圧力は、いつも絶対圧で入れます。指にかかる力は、中の圧力と、外から押す大気の差で決まります。25 mL のとき、差は 101 kPa です。
押す仕事は、曲線の下の面積
P-V 線図に、押していく途中の圧力をかくと、右下がりの曲線(双曲線)になります。横が体積、縦が圧力で、押すと点は左へ進みながら上がります(読み方は 等容変化と等圧変化(比熱 cv と cp) の単元)。押す仕事は、この曲線の下の面積です。
押しはじめは圧力が低く、軽く押せます。押しこむほど圧力が上がって、同じ 1 mL を押すのに大きな力が要ります。面積を足し合わせると、
は自然対数です。 です。
体積を半分にするたびに、仕事は同じだけ増えます。
| 押した後の体積 | 圧力 | 押す仕事(50 mL から) |
|---|---|---|
| 25 mL(1/2) | 202 kPa | 3.50 J |
| 12.5 mL(1/4) | 404 kPa | 7.00 J |
| 6.25 mL(1/8) | 808 kPa | 10.5 J |
25 mL から 12.5 mL までは、たった 12.5 mL しか動きません。それでも、50 mL から 25 mL までと同じ 3.50 J が要ります。圧力が 2倍になっているからです。
家計簿で読む
熱と仕事(第一法則) の単元で、エネルギーの勘定を家計簿にたとえました。
家計簿(この科目を通す決まり)
エネルギーは消えも生まれもしない。入ってきた分 = 中にためた分 + 外へ出した分。
注射器を押すとき、入ってくるのは、押す仕事 です。これが、温度を上げる分(内部エネルギーの増え )と、外へ出る熱 に分かれます。
空気の内部エネルギーは、温度だけで決まります。等容変化と等圧変化(比熱 cv と cp)の単元で、 と見たとおりです。温度が変わらなければ、 です。
だから、押した 3.50 J は全部、熱として外へ出ていきます。空気は、もらった仕事を、すぐに熱にして筒の壁と指へ渡しています。
3.50 J は、1 g の水を 0.84 K 温めるくらいの熱です。少しずつ出ていくので、手で触っても温かさはわかりません。
公式を、かたまりに分けて読む
- 初めの空気の大きさ 圧力 × 体積で、単位は J です(Pa × m³ = N/m² × m³ = N·m)。101 kPa × 50 mL は 5.05 J。空気が2倍あれば、仕事も2倍です。
- 何分の1にしたか は圧縮比です。 は、かけ算の回数を数える数で、2倍で 0.693、4倍で 1.39、8倍で 2.08。半分にするたびに、同じ 0.693 ずつ増えます。
温度は、式に入っていません。冷たい空気でも温かい空気でも、同じ注射器で同じだけ押せば、仕事は同じです。
どの数字がいちばん効く?
初期値(20℃・101 kPa・50 mL を 25 mL に)から、1つずつ 10% 変えたときです。
| 変えるもの | 終わりの圧力 | 押す仕事 |
|---|---|---|
| 押した後の体積 を10%小さく(22.5 mL) | 224 kPa(+11%) | 4.03 J(+15%) |
| 初めの体積 を10%大きく(55 mL) | 222 kPa(+10%) | 4.38 J(+25%) |
| 初めの圧力 を10%高く | 222 kPa(+10%) | 3.85 J(+10%) |
| 温度(絶対温度)を10%高く | 202 kPa(変わらない) | 3.50 J(変わらない) |
初めの体積を増やすと、仕事がいちばん増えます。空気が多くなるうえに、同じ 25 mL まで押すので、何分の1にするかも大きくなるからです。
水にもぐると、泡は小さくなる
ボイルの法則は、水の中でも見られます。水は深くなるほど圧力が高く、水深 10 m で約 199 kPa(絶対圧)です。水面の約 2倍です。
ダイバーの吐いた泡は、浅いところへ上がるにつれて、圧力が下がってふくらみます。水温の変わり方が小さければ、体積は圧力にほぼ反比例します(下の例題2)。
注射器に戻る
注射器を押すと重くなるのは、中の圧力が体積に反比例して上がるからです。25 mL では 202 kPa、12.5 mL では 404 kPa になります。
それでも温度が変わらないのは、ゆっくり押しているからです。押した仕事は、そのつど熱になって、筒の壁から出ていきます。
すばやく押すと、熱が出ていくひまがありません。押した仕事が中にたまり、空気の温度が上がります。この変化は、次の断熱変化の単元で扱います。
動かしてみよう
押した後の体積 のスライダーを左へ動かしてください。ピストンが左へ進み、P-V 線図の点 2 が、薄い破線(同じ温度の線)に沿って左上へ動きます。線の下の紫の面積が、押す仕事です。
温度計の柱は動きません。筒の上に、熱の矢印が増えていきます。下の家計簿の帯は、押す仕事(紫)と同じ長さだけ、外へ出た熱(黄土)が伸びます。
線図の薄い線と面積は、初期値です。「いまの図を残して比べる」を押すと、そのときの線と面積が薄く残り、そのときの答えを基準にして、何倍になったかが出ます。
試してみよう0 / 3
- 終わりの体積 V₂ を 10 mL(5分の1)まで押して、圧力を見る(まだ)
- V₂ を 12.5 mL(4分の1)にして、押す仕事(線図の面積)を見る(まだ)
- V₂ を 5 mL(10分の1)まで押し込んで、家計簿の帯と温度計を見る(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 終わりの圧力(絶対)
- 圧力が何倍になったか
- 押す仕事(気体がされた仕事)
- 外へ出た熱
- 内部エネルギーの増え
- 気体の質量
途中の計算(導出)を見る
中の空気の質量(状態式 pV = mRT から)
体積を何分の1にしたか(圧縮比)
終わりの圧力(pV が一定)
押す仕事(P-V 線図の、曲線の下の面積)
内部エネルギーの増え(温度が変わらないので 0)
外へ出た熱(家計簿:押す仕事 − ためた分)
つまり、ものを作るときは
空気を押しこむ仕事を減らしたいときは、冷やしながら押す。温度を変えずに押すのが、いちばん少ない仕事で済みます。大きな圧縮機が、筒をひれや水で冷やすのは、このためです。
押した仕事は、熱として捨てることになる。圧縮空気をためるタンクの空気が持っているのは、温度ではなく、高い圧力です。
よくある勘違い
「ゲージ圧のまま、体積に反比例させればよい」
ボイルの法則の圧力は、絶対圧です。ゲージ圧(大気圧を 0 とする圧力)のまま比べると、まちがえます。
| 考え方 | 50 mL → 25 mL の後の圧力 |
|---|---|
| ゲージ圧 0 kPa のまま 2倍 | |
| 絶対圧 101 kPa を 2倍 | 202 kPa(ゲージ圧で 101 kPa) |
ふたを閉めたペットボトルを握ると、硬くなります。中の空気が少し縮み、絶対圧が上がったからです。
「温度が変わらないなら、熱の出入りもない」
逆です。温度が変わらないのは、押した仕事と同じだけの熱が、外へ出ていくからです。熱の出入りがないのは、断熱変化のほうです。
「体積を半分にするたびに、仕事も2倍になる」
仕事は、半分にするたびに、同じ 3.50 J ずつ増えます。1/2 で 3.50 J、1/4 で 7.00 J、1/8 で 10.5 J。2倍ずつではなく、足し算で増えます。
この公式が使える条件
- 温度がずっと変わらない(ゆっくり押して、熱がそのつど外へ出る)。すばやく押すと温度が上がるので、使えない
- 気体は理想気体(空気・常温・数 MPa まで)
- 空気がもれない(注射器の先・ピストンのすき間から出ない)
- ピストンの摩擦の熱は入れない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
圧力:状態式 で、・・ が変わらないので、 は一定です。。
押す仕事:ピストンをわずかに押して、体積が (押し縮めるので負)だけ変わったとき、押す仕事は です。 を入れて、 から まで足し合わせ(積分し)ます。
を足し合わせると になる、というのが対数の出どころです。
熱:温度が変わらないので 。家計簿 から、 です。この単元の注射器では、どちらも 3.50 J です。
例題
例題1 注射器を押す指の力
内径 20 mm の注射器に、20℃・101 kPa(絶対圧)の空気が 20 mL 入っています。先を指でふさいで、ピストンを 8 mL のところまで、ゆっくり押します(等温)。
(1) 中の圧力(絶対圧)。(2) そのとき、ピストンを押さえておく力。ピストンの外側は大気(101 kPa)が押している。(3) ここまで押す仕事。
ヒント 1 / 2
体積が 20 → 8 mL で 2.5分の1。圧力は 2.5倍です。
ヒント 2 / 2
力は、中と外の圧力の差 × ピストンの面積。面積は です。
答えと解き方を見る
終わりの圧力(pV が一定)
押す仕事(P-V 線図の、曲線の下の面積)
大気が外から押してくれるので、指が受け持つのは差の 151.5 kPa の分だけです。それでも 5 kg 近い物を持ち上げるほどの力になります。
仕事 1.85 J は、押しているあいだに、熱として筒と指へ出ていきます。
例題2 水にもぐる風船
水面で 3 L にふくらませた風船(中は 101 kPa・水温と同じ温度)を、おもりを付けて水の中へ沈めます。水の中の圧力は、水深 1 m ごとに 9.81 kPa ずつ増えます(水 1000 kg/m³)。風船のゴムの力と、温度の変化は考えません。
(1) 水深 10 m での風船の体積。(2) 水深 20 m での体積。
ヒント 1 / 2
水深 10 m の圧力は、(絶対圧)です。
ヒント 2 / 2
温度が同じなので 。 です。
答えと解き方を見る
10 m で約半分、20 m で約3分の1 になります。初めの 10 m で 1.5 L 縮み、次の 10 m では 0.5 L しか縮みません。浅いところほど、体積が大きく変わります。
ダイバーの吐いた泡は、反対に、上がるほどふくらみます。息を止めたまま浅いほうへ急いで上がると、肺の中の空気がふくらむので危険だと教えられるのは、このためです。
例題3 圧縮空気をためる
大気の空気 1 m³(20℃・101 kPa)を、タンクに押しこんで、体積を 8分の1 にします。冷やしながらゆっくり押すので、温度は 20℃ のままとします(等温)。
(1) タンクの圧力(絶対圧)。(2) 押す仕事。(3) 1 kW のモータの仕事が全部、空気を押すのに使われるとして、何秒かかるか。
ヒント 1
押す仕事は 。 です。
答えと解き方を見る
終わりの圧力(pV が一定)
押す仕事(P-V 線図の、曲線の下の面積)
押した 210 kJ は、全部が熱としてタンクのまわりへ出ていきます。ためた空気が持っているのは、温度ではなく、高い圧力です。
冷やさずに速く押すと、空気が熱くなって押し返す力が強まり、仕事はもっと大きくなります(次の断熱変化の単元)。