温度T[K]が一定のとき、体積V[m³]は圧力P[Pa]に反比例する という ボイルの法則 について学びました。今回は、気体の温度T[K]と体積V[m³]の関係に着目した シャルルの法則 という新しい法則をみていきます。

具体例をもとに考えていきましょう。シリンダーにピストンが取り付けられており、ピストンにおもりが乗っているとイメージしてください。

シリンダーの中には0[℃]の体積V₀[m³]の気体を封じ込めます。この状態から圧力を一定に保ったまま、温度を上げていきます。

温度が上がるとどうなるでしょうか？実は、シリンダー内の気体の体積が増えるのです。温度が0[℃]からt[℃]まで上がったとき、体積はV₀[m³]からV[m³]まで増加したとします。この関係について、縦軸に体積、横軸に温度をとってグラフに表すと下のようになります。

体積Vと温度Tのグラフは比例関係にある ことがわかりますね。実験の結果から、グラフの直線の傾きは V₀/273 となることがわかっています。つまり、温度が1[℃]上がるごとに、体積は V₀/273[m³] ずつ増えるのです。

したがって、温度が0[℃]からt[℃]まで上がったときの体積の増加分は(V₀/273)×tとなります。
この関係を式で表すと
V＝V₀+(V₀/273)×ｔ=V₀×(1+t/273)
t[℃]は摂氏温度です。さらに、この式を 絶対温度 で書き改めると下のようになります。

このように、 体積Vが温度Tに比例する法則 を シャルルの法則 と言います。ちなみに温度が−273[℃]、つまり0[K]の絶対零度のときは、体積が0となります。