気体の膨張
空気や窒素・酸素などの気体も、温度を高くすると体積が膨張します。
下の図のような装置で、空気の膨張を測定し体積と温度との関係をグラフにすることができます。
空気のかわりに、二酸化炭素・窒素・酸素などの気体を入れ空気のときと同じようにして膨張する割合をグラフに記入してみましょう。
そうすると膨張する気体の量は上がった温度に比例しますが膨張する割合はどの気体も同じであることがわかります。
これは、固体や液体の膨張率が物質によって特有の値であるのに反して気体の膨張率は、物質の特性とはならないことをしめしています。
気体の体積と温度
いっぱんに、気体は圧力が一定ならば、温度が1℃上がるごとにその気体の0℃のときの体積の273分の1だけ増えるのです。
つまり、気体の体積は、圧力が一定ならば絶対温度(物理や化学の計算に使われる温度で摂氏の温度に273をくわえたもの に正比例してかわるという関係があるのです。
これをシャルルの法則といいます。
ですから、体積が0℃のときの2倍になるのは273℃ということになります。
またこの法則でいくと、温度を、零下273℃にすると体積が0になってしまうはずですが、どんな気体でも零下273℃にならないうちに液体か固体になってしまうので体積が0になることはありません。
【実験】
①フラスコにガラス管をつけた栓をします。
このフラスコを温めてから、管の先を水にちょっとつけると、水滴が吸い込まれます。
つぎに、このフラスコを左の図のようにスタンドにとりつけ手の平で温めたり、冷やしたりしてみましょう。
フラスコを温めると、管の水滴が下がり手の平を遠ざけて中の空気を冷やすと、水滴があがってきます。
これは、中の空気の体積が温度によって大きくなったり小さくなったりするからです。
②フラスコを100℃ぐらいの湯につけとてからこれを逆さまにし10℃ぐらいに冷やします。
すると、フラスコの中に4分の1ほど水が入ってきます。
これは、中の空気が90℃だけ冷えたため体積が4分の1ほど減ったことをしめします。
体の体積と温度・圧カ
ある決まった気体の体積が大きくなるのは温度が上がったときか、圧力が小さくなったときです。
また、体積が小さくなるのは、温度が下がったときか圧力が大きくなったときです。
では、体積をかえると、温度や圧力はどうなるでしょう。
たいていの場合、気体は圧力をかけて体積を小さくすると温度があがります。
自転車の空気入れの先をふさいでおいて急にピストンを押し下げると、空気入れの下のほうがかなり厚くなります。
これは空気を圧縮して熱が出たためです。
まえの場合と反対に、気体を温めないか温まる暇のないくらい早く膨張させればその気体の温度は下がります。
夏など、強い日光で温めれた地表の空気が何千メートルも上昇していくうらに、膨張して温度が下がります。
それで、その空気にふくまれていた水蒸気が水滴になって雲になることがあります。
入道雲はこのようにしてできた雲です。
