理想気体|気体の性質を理想化したもの

理想気体

理想気体(完全ガス)とは実在気体の性質を理想化したもので、実際には存在しない理論モデルである。衝突以外の相互作用がなく、自由に運動する質点として考える気体である。

理想気体に近い気体

気体が占めている空間に対して原子・分子が占める空間が小さければ小さいほど、理想気体に近い条件になる。温度が高く気圧が低いほど、理想気体に近い状態になる。

ボイル・シャルルの法則

理想気体では、ボイル・シャルルの法則が成立する。

ボイル・シャルルの法則

理想気体の状態方程式

理想気体の状態方程式とは、ボイル・シャルルの法則に基づく関係式で、圧力と体積の積が気体定数、質量、温度の積と等しくなる。

気体の質量m

気体の質量mは分子量Mとモル数nの積に等しいので次数のように展開する。

一般気体定数

Roとは、一般気体定数(普遍気体定数)で、すべての理想気体について等しい値になる。 単位は [J/(kg・K)] となる。

アボガドロ数

アボガドロ数とは、この1molあたりの分子数である。この分子数Nを表すと次式のようになる。

ボルツマン定数

ボルツマン定数とは、一般気体定数をアボガドロ数で割ったもので、分子1個当たりの気体定数である。単位はJ/Kである。(エネルギーの単位であるジュール(J)とケルビン(K)を結びつける定数である。)ミクロな分子でみると、kTという形で重要な定数として出てくる。

ガス定数、標準密度、比熱

下記は理想気体のガス定数、、標準密度(101.325kPa,273.15K)、比熱および比熱比(0Pa,273.15K)の目安である。

気体 ガス定数 標準密度 定圧比熱 定容比熱 比熱比
R ρ₀ Cp Cv γ
J/(kg・K) kg/m3 kJ/(kg・K) kJ/(kg・K)
水素 4124.49 0.0899385 14.25 10.12 1.408
酸素 259.837 1.42763 0.914 0.654 1.398
空気 287.03 1.29236 1.005 0.718 1.400
二酸化炭素 188.924 1.963483 0.819 0.630 1.30
水蒸気 461.523
アセチレン 319.33 1.16165 1.513 1.216 1.244
メタン 518.279 0.7157 2.16 1.63 1.32

理想気体の状態変化

理想気体は体積が一定である定容変化、圧力が一定である低圧変化、温度が一定である等温変化、熱の出入りが行われない断熱変化が行われる。

定容変化

定圧変化

定温変化

断熱変化

断熱熱落差

準静的過程

準静的過程とは、変化の途中、系も外界も常に熱平衡状態を保つような過程である。しばしば理想気体では準静的過程を想定して考察する。また、準静的過程は可逆過程(現実は不可逆変化)が想定されているため、変化の過程と時間的に逆の過程も成立されるとする。