気体の圧力、温度、容積は互いに影響しあう関係にあります。この関係は、シャルルの法則、ボイルの法則1、そしてこれらを組み合わせたボイル・シャルルの法則で説明されます。
シャルルの法則について
気体は容器に入れられると、その容器によって体積は決まります。そして、容器に満たされた気体に熱を加えると、容器の大きさは変化しないため体積一定のまま圧力と温度が変化します。体積が一定ならば、圧力と絶対温度は比例関係にあります。
例えば、温度が2倍になれば、その圧力は2倍になり、温度が0.7倍に低下すると圧力も0.7倍に低下します。これが、シャルルの法則です。式にあらわすと次のようになります。変化前の温度T1、圧力P1とし、変化後の温度T1、圧力P2とすると、
T1/T2＝P1/P2 ただし、絶対温度、絶対圧力で示した数値です。
ボイルの法則について
次に、温度一定における圧力と体積の関係を考えます。そのとき、気体の体積は圧力に反比例します。つまり、圧力を上げる体積は減り、圧力を下げると体積は増えます。変化前の温度P1、体積V1とし、変化後の圧力P2、体積V2とすると次式になります。
V1/V2＝P2/P1 ただし、絶圧力で示した数値です。
ボイル・シャルルの法則について
ボイルの法則とシャルルの法則を合わせたものをボイル・シャルルの法則と言います。これは、一定量の気体の体積は、圧力に反比例し、絶対温度に比例します。
例えば、体積2㎥の容器の中に空気の気体の温度は30℃、圧力は1kPaを示しています。50℃になったとき容器の圧力はどのくらいか？
T1＝273＋30＝303(K)
T2＝273＋50＝323(K)
P1＝101.3+1=102.3(kPa)
P2＝P1×T2/T1=102.3×323/303＝109.1(kPa)
ダルトンの分圧の法則について
ダルトンの法則、または分圧の法則は、複数の気体が混ざり合っているとき、その混合気体の圧力は、それぞれの気体が単独で同じ容器を閉めているときの圧力に等しくなるという法則です。例えば、下図のA槽の中には30℃で0.5MPaのガス冷媒が入っており、B槽の中には0.1MPaの30℃空気が満たされているとします。弁を開くとその温度は両槽とも30℃であれば、両槽の圧力は0.5＋0.1＝0.6MPaとなります。これは、空気や不凝縮ガスが冷凍装置に入ったのと同様のになり、冷媒ガスだけの場合より冷凍装置内の圧力は不凝縮ガスの圧力だけ高くなり、不具合を生じます。
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