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チャールズの法則(Vol-Temp法則)

1802
  • Jacques Charles
  • Joseph Louis Gay-Lussac
Glass apparatus demonstrating Charles's Law in a vintage laboratory setting.

(画像はイメージです)

体積温度法則または体積の法則としても知られるシャルルの法則は、一定温度の理想気体の質量が一定である場合、 プレッシャー気体の体積は絶対温度に正比例します。これは [latex]V propto T[/latex] または [latex]frac{V_1}{T_1} = frac{V_2}{T_2}[/latex] と表されます。これは、等圧(一定圧力)条件下で加熱された気体が膨張する傾向を説明するものです。

シャルルの法則は、気体の熱膨張を記述する基本的な原理です。最初の研究は、1787年頃にジャック・シャルルによって行われました。彼は、圧力を一定に保ちながら、一定量の気体の体積が温度によってどのように変化するかを調査し、一貫した線形関係を発見しました。しかし、シャルルは自身の研究結果を公表しませんでした。この法則が広く知られるようになったのは、ジョセフ・ルイ・シャルルによってです。 ゲイ=リュサック同じ現象を独自に研究していたゲイ=リュサックは、1802年に自身の研究結果を発表した。ゲイ=リュサックは論文の中で、未発表の原著論文の著者であるシャルルに惜しみなく功績を帰しており、そのためこの法則は一般的にシャルルの名にちなんで名付けられている。

この法則の深い意義は、その外挿にある。さまざまな気体の体積と温度の関係をグラフ化することで、科学者たちは、すべての線を後方に延長すると、体積がゼロの単一の点に収束することを発見した。この理論上の温度は -273.15 °C と決定された。この点は絶対零度、つまり可能な限り低い温度として認識され、ケルビン絶対温度目盛の基礎となった。絶対零度が 0 K であるケルビン目盛では、この法則は単純な比例式 [latex]V = kT[/latex] となる。微視的に見ると、一定圧力で気体を加熱すると、分子の運動エネルギーが増加し、分子の動きが速くなる。一定圧力(つまり、容器の壁との衝突の速度が一定)を維持するには、体積が膨張し、より速く動く分子が衝突の間隔で移動できる空間が増える必要がある。

UNESCO Nomenclature: 2212
熱力学

タイプ

物理法則

混乱

実質的な

使用法

広く普及している

前駆物質

  • ロバート・ボイルによる気体の圧力と体積の関係を確立した研究
  • 熱膨張を利用した空気温度計の発明と改良
  • 目盛付きシリンダーやガスシリンジなどの装置を用いたガス量の精密測定技術の進歩
  • 実験中に一定の圧力を維持するという概念(等圧条件)

アプリケーション

  • 熱気球
  • サーモスタット内のバイメタルストリップ
  • ポップアップ式七面鳥タイマー
  • パンを焼く際の発酵
  • 内燃機関のサイクル(等圧膨張)
  • 気象観測気球の膨張と上昇

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

  • self-inflating emergency rafts or slides that deploy upon a significant temperature change
  • advanced weather balloons that can adjust their buoyancy by controlled heating or cooling of internal gas
  • shape-memory polymers activated by the thermal expansion of trapped gas microbubbles
  • micro-actuators and ‘soft robots’ powered by the thermal expansion of gas for delicate tasks
  • high-altitude airships that maintain lift and altitude by heating their internal lifting gas
  • 極低温 storage containers with passive pressure-relief systems based on gas expansion from ambient heat leak
  • thermally-driven pumps with no moving parts, using expanding gas to move corrosive or sensitive fluids
  • passive solar heating systems that use expanding air in solar collectors to circulate heat through a building
  • fire detection systems that trigger an alarm based on the rapid expansion of air in a sealed tube
  • self-regulating greenhouse ventilation systems that open vents when internal air expands from solar heating
関連:シャルルの法則、体積の法則、理想気体、熱力学、定圧、等圧過程、絶対零度、ケルビン尺度、気体の膨張、体積と温度の関係。

歴史的背景

チャールズの法則(Vol-Temp法則)

1800
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1801
1802
1808
1811
1816-11-16
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1810
1816
1816-11-16

(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

10年目 周年

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