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気体の状態変化

Compressed Air Wiki Thermodynamics Physics of Air Compressors Basic Theory

非常に興味深い物理学の一分野が熱力学で、特にエアコンプレッサにおける知見を得たい場合に役立ちます。この記事では、熱力学の概要に続き、気体の状態の変化について説明します。

状態の5種類の変化

気体の状態の変化

気体の状態の変化は、p/V図である点から別の点までたどることができます。実際の事例では、変数p、V、およびTの3つの軸が必要です。状態が変化するにつれて、p、V、およびT空間の表面上の3次元曲線に沿って移動します。ただし、簡略化するために、通常は3つの面の1つにこの曲線を投影することを考えます。この面は通常、p/V面です。5種類の状態の変化を考えることができます。

  1. 等積過程(体積が一定)
  2. 等圧過程(圧力が一定)
  3. 等温過程(温度が一定)
  4. 等エントロピ過程(周囲との熱交換なし)
  5. 多方過程(周囲との完全な熱交換)

等積過程とは

式で表した等積過程、体積一定

体積を一定とした等積過程の例は、密封された容器内の気体を加熱することです。

等圧過程とは

式で表した等圧過程、圧力一定

圧力を一定とした等圧過程の例は、ピストンに一定の負荷をかけながらシリンダ内の気体を加熱することです。

等温過程とは

式で表した等温過程、熱量と加える仕事を徐々に取り除く、温度一定

シリンダ内の気体を等温で圧縮する場合、加える仕事と等しい熱量を徐々に取り除く必要があります。このような遅い過程は起こり得ないため、現実的ではありません。

等エントロピ過程とは

式で表した等エントロピ過程、熱交換なし、気体を圧縮または膨張させる

完全に断熱されたシリンダ内のガスを圧縮して、周囲との熱交換が全くない場合に等エントロピ過程となります。ノズルを通して気体を急速に膨張させ、その速度が速すぎて周囲との熱交換が起こらない場合にも等エントロピ過程となります。

多方過程とは

式で表した多方過程

等温過程では周囲との全面的な熱交換が行われ、等方過程では熱交換が一切ありません。実際には、すべての過程がこの両極端の間で起こります。つまり多方過程です。この過程の関係は以下のようになります。

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