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熱力学の概要:主要原理と気体の法則

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、特にエアコンプレッサにおける知見を得ることです。この記事では熱力学を簡単に紹介し、主要原則と気体に関するボイルの法則およびシャルルの法則を説明します。

熱力学の法則とは

エネルギーは、熱、物理、化学、放射(光など)、電気などの様々な形態で存在します。熱エネルギーを研究すること、つまり系内で変化を起こしたり、作用したりする能力を調べるのが熱力学です。

熱力学の第1法則は、エネルギー保存の原理です。この法則は、エネルギーは作ることも無くすこともできず、閉じた系内の総エネルギーは常に保存されるため、常に一定で形態が変わるにすぎないというものです。熱はこのエネルギーの一形態であり、仕事から生成したり、仕事に変換したりできます。

熱力学の第2法則は、自然には分子的に不安定な状態に進む傾向があるということです。エントロピが不安定さの尺度です。個体結晶は、エントロピ値が非常に低い最も一般的な物質の構造化された形態です。それより不安定な気体のエントロピ値は高くなります。仕事を行うために利用できる分離されたエネルギー系の潜在的エネルギは、エントロピが増すにつれて減少します。熱力学の第2法則では、熱はそれ「自体の労力」で温度低い領域から温度が高い領域に移動できないとされています。

ボイルの法則とシャルルの法則

温度が一定であれば(等温線)、圧力と体積の積は一定(式)であるというのがボイルの法則です

温度が一定であれば(等温線)、圧力と体積の積は一定であるというのがボイルの法則です。

圧力が一定であれば(等圧線)、気体の体積は温度の変化に比例して変化する(式)というのがシャルルの法則です

圧力が一定であれば(等圧線)、気体の体積は温度の変化に比例して変化するというのがシャルルの法則です。

気体の状態の一般法則は、ボイルの法則とシャルルの法則の組み合わせです。圧力、体積、温度が互いにどのように影響するのかを述べたものです。式

気体の状態の一般法則は、ボイルの法則とシャルルの法則の組み合わせです。圧力、体積、温度が互いにどのように影響するのかを述べたものです。これらの変数の1つが変化すると、他の2つの変数の少なくとも1つに影響します。

個々の気体定数Rは、気体の特性にのみ依存します。気体の質量mが体積Vを取ると、式

個々の気体定数Rは、気体の特性にのみ依存します。気体の質量mが体積Vを取ると、この関係は以下のように書くことができます:

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