ガス

気体は、物質の4つの基本状態のうちの1つです。他の3つは、固体、液体、プラズマです。^[1]純粋な気体は、個々の原子（ネオンなどの希ガスなど）、1種類の原子からなる元素分子（酸素など）、または様々な原子からなる複合分子（二酸化炭素など）で構成されています。空気などのガス混合物には、さまざまな純粋なガスが含まれています。気体を液体や固体と区別するのは、個々のガス粒子の大きな分離です。この分離により、通常、無色の気体は人間の観察者には見えません。

物質の気体状態は液体状態とプラズマ状態の間に発生し、^[2]後者は気体の上限温度境界を提供します。温度スケールの下限の境界には、ますます注目を集めている縮退量子気体^{[3]があります。 [4]} 非常に低い温度まで過冷却された高密度原子気体は、統計的挙動によってボーズ気体またはフェルミ気体に分類されます。これらのエキゾチックな物質状態の包括的なリストについては、物質の状態のリストを参照してください。

標準温度で安定した二原子同核分子ガスである化学元素は、水素(H ₂ )、窒素(N ₂ )、酸素(O ₂ )、および 2 つのハロゲン、フッ素(F ₂ ) と塩素(Cl ₂ ) のみです。これらのガスは、ヘリウム(He)、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、キセノン(Xe)、ラドン(Rn) などの単原子希ガスと合わせて「元素ガス」と呼ばれます。

ガスという言葉を初めて使ったのは、17世紀初頭のフランドルの化学者ヤン・バプティスト・ファン・ヘルモントである。^[5]彼は二酸化炭素を特定したが、これは空気以外の最初の既知のガスである。^{[6]ファン・ヘルモントのこの言葉は、}古代ギリシャ語のχάος 「カオス」の単なる音声転写であったようだ。オランダ語の gは「loch 」のch のように発音される（無声軟口蓋摩擦音、/ x /）。その場合、ファン・ヘルモントは単に、パラケルススの著作で初めて証明された錬金術の慣用法に従っていたに過ぎない。パラケルススの用語によると、カオスは「超希薄水」のような意味だった。^[7]

別の説では、ファン・ヘルモントの用語は「幽霊や霊を意味するgahst (またはgeist ) 」から派生したものであるとされている。 ^{[8]この説は}オックスフォード英語辞典の編集者によって信用されていない。^[9]対照的に、フランス系アメリカ人の歴史家ジャック・バルザンは、ファン・ヘルモントが発酵によって生じる泡を意味するドイツ語のGäschtからこの単語を借用したのではないかと推測している。^[10]

ほとんどの気体は直接観察することが難しいため、圧力、体積、粒子数（化学者はモル数で分類します）、温度の 4 つの物理的特性またはマクロ特性を使用して説明されます。これらの 4 つの特性は、ロバート・ボイル、ジャック・シャルル、ジョン・ドルトン、ジョセフ・ゲイ＝リュサック、アメデオ・アボガドロなどの科学者によって、さまざまな状況でのさまざまな気体について繰り返し観察されました。彼らの詳細な研究により、最終的にこれらの特性間の数学的関係が理想気体の法則によって表現されました（以下の § 理想気体と完全気体のセクションを参照）。

気体粒子は互いに大きく離れているため、液体や固体よりも分子間結合が弱い。これらの分子間力は、気体粒子間の静電相互作用によって生じる。異なる気体粒子の同じ電荷を持つ領域は反発し、異なる気体粒子の反対電荷を持つ領域は互いに引き合う。永久に帯電したイオンを含む気体はプラズマと呼ばれる。極性共有結合を持つ気体化合物は永久電荷の不均衡を含むため、化合物の正味電荷は中性のままであるにもかかわらず、比較的強い分子間力を受ける。分子の非極性共有結合には、一時的にランダムに誘導される電荷​​が存在し、それによって引き起こされる静電相互作用はファンデルワールス力と呼ばれる。これらの分子間力の相互作用は物質内で変化し、それが各ガスに固有の多くの物理的特性を決定する。^{[11] [12]イオン結合と共有結合によって形成される化合物の}沸点の比較から、この結論が導かれる。^[13]

他の物質の状態と比較すると、気体は密度と粘性が低いです。圧力と温度は、一定体積内の粒子に影響を与えます。粒子の分離と速度のこの変化は、圧縮率と呼ばれます。この粒子の分離とサイズは、次の屈折率のリストにあるように、気体の光学特性に影響を与えます。最後に、気体粒子は容器全体に均一に分布するために 広がったり拡散したりします。

ガスを観察する場合、通常は基準フレームまたは長さスケールを指定します。長さスケールが大きいほど、ガスのマクロ的または全体的な視点に対応します。この領域 (ボリュームと呼ばれる) は、大量のガス粒子サンプルを収容できる大きさでなければなりません。このサンプル サイズの統計分析の結果、領域内のすべてのガス粒子の「平均的な」動作 (速度、温度、圧力など) が生成されます。対照的に、長さスケールが小さいほど、ミクロ的または粒子的な視点に対応します。

マクロ的に、測定されるガスの特性は、ガス粒子自体 (速度、圧力、または温度) またはその周囲 (体積) のいずれかに関するものです。たとえば、ロバート ボイルは、キャリアのごく一部を空気化学の研究に費やしました。彼の実験の 1 つは、ガスの圧力と体積のマクロ的な特性に関するものでした。彼の実験では、J の文字の形をした試験管のようなJ 管マノメーターを使用しました。ボイルは、水銀柱で試験管の閉じた端に不活性ガスを閉じ込め、粒子の数と温度を一定にしました。彼は、水銀柱に追加してガスの圧力を上げると、閉じ込められたガスの体積が減少することを観察しました (これは反比例関係として知られています)。さらに、ボイルが各観測の圧力と体積を掛け合わせると、その積は一定でした。この関係は、ボイルが観測したすべてのガスに当てはまり、(PV=k) という法則につながりました。この法則は、この分野における彼の業績を称えて名付けられました。

ガスの特性を分析するために利用できる数学的ツールは数多くあります。ボイルの研究室の設備では、単純な計算だけで分析結果を得ることができました。彼の結果が得られた理由は、比較的低圧の状況でガスが「理想的な」挙動を示すことを研究していたからです。これらの理想的な関係は、使用中の材料のさまざまな飛行条件に対する安全性の計算に当てはまります。しかし、今日使用されているハイテク機器は、ガスがもはや「理想的な」挙動を示さない、より特殊な動作環境を安全に調査するのに役立つように設計されました。ガスが極端な条件にさらされると、 非粘性流のオイラー方程式から粘性効果を完全に考慮したナビエ・ストークス方程式^[14]まで、ガスを解釈するためのツールはより複雑になります。統計や多変数計算を含むこの高度な数学は、問題のガスシステムの条件に適応され、宇宙船の再突入のような複雑な動的状況を解くことを可能にします。一例として、この負荷条件下での材料特性が適切であることを確認するために、写真のスペースシャトルの再突入を分析しました。この飛行状況では、ガスはもはや理想的な動作をしません。

方程式で圧力を表すために使用される記号は「p」または「P」で、SI 単位はパスカルです。

ガスの容器を説明する場合、圧力（または絶対圧力）という用語は、ガスが容器の表面に及ぼす単位面積あたりの平均力を指します。この体積内では、ガス粒子が容器に衝突するまで直線的に移動する様子を視覚化する方が簡単な場合があります（上の図を参照）。この衝突中にガス粒子が容器に与える力は、粒子の運動量の変化です。 ^[15]衝突中は、速度の法線成分のみが変化します。壁と平行に移動する粒子の運動量は変化しません。したがって、表面にかかる平均的な力は、これらすべてのガス粒子の衝突による直線運動量の平均的な変化でなければなりません。

圧力は、容器の壁に衝突する粒子によって及ぼされる力のすべての法線成分の合計を壁の表面積で割ったものです。

方程式で温度を表すために使用される記号はTで、SI 単位はケルビンです。

気体粒子の速度はその絶対温度に比例します。ビデオの風船の体積は、閉じ込められた気体粒子が極低温の窒素の追加によって減速すると縮小します。あらゆる物理システムの温度は、[気体]システムを構成する粒子（分子と原子）の運動に関連しています。^[16]統計力学では、温度は分子に蓄えられた平均運動エネルギー（熱エネルギーとも呼ばれる）の尺度です。このエネルギーを蓄える方法は、分子自体の自由度（エネルギーモード）によって決まります。気体または液体に加えられた熱（運動）エネルギー（吸熱過程）は、並進運動、回転運動、および振動運動を生み出します。対照的に、固体は結晶格子構造が並進運動と回転運動の両方を妨げるため、追加の振動モードを励起することによってのみ内部エネルギーを増やすことができます。これらの加熱された気体分子は、平均速度が高く、速度範囲が広く（速度の分布が広く）、この分布の分散は、個々の粒子の速度が他の粒子との衝突を繰り返して絶えず変化することによって生じます。速度範囲は、マクスウェル・ボルツマン分布で記述できます。この分布を使用すると、検討対象の粒子システムでは 理想気体が熱力学的平衡に近い状態になります。

方程式で比体積を表すために使用される記号は「v」で、SI 単位は立方メートル/キログラムです。

方程式で体積を表すために使用される記号は「V」で、SI 単位は立方メートルです。

熱力学分析を行う際、典型的には、示強特性と示強特性について話す。ガスの量（質量または体積）に依存する特性は示強特性と呼ばれ、ガスの量に依存しない特性は示強特性と呼ばれる。比容積は示強特性の一例である。なぜなら、比容積は平衡状態にあるシステム全体で同一であるガスの単位質量が占める体積の比だからである。 ^{[17]ガス中の1000個の原子は、任意の温度および圧力において、他の1000個の原子と同じ空間を占める。この概念は、ガスに比べて}圧縮できない鉄などの固体では視覚化しやすい。しかし、体積そのもの（比重ではない）は示強特性である。

方程式で密度を表すために使用される記号はρ (ロー) で、SI 単位は立方メートルあたりのキログラムです。この項は比容積の逆数です。

気体分子は容器内を自由に移動できるため、その質量は通常、密度によって特徴付けられます。密度は、物質の単位体積あたりの質量、または比容積の逆数です。気体の場合、粒子は圧力または体積によって制約されても自由に接近できるため、密度は広範囲にわたって変化する可能性があります。この密度の変化は、圧縮率と呼ばれます。圧力や温度と同様に、密度は気体の状態変数であり、どのプロセスでも密度の変化は熱力学の法則によって決まります。静的な気体の場合、密度は容器全体で同じです。したがって、密度はスカラー量です。運動論により、密度は一定質量の気体が閉じ込められている容器のサイズに反比例することが示されます。質量が固定されている場合、密度は体積が増加するにつれて減少します。

強力な顕微鏡でガスを観察すると、明確な形や体積を持たず、多かれ少なかれランダムに運動している粒子の集まりが見えるでしょう。これらのガス粒子は、別の粒子または容器の側面に衝突したときにのみ方向を変えます。このガスの微視的見方は、統計力学によってうまく説明できますが、さまざまな理論によって説明できます。これらの衝突は完全に弾性であると仮定する気体の運動論では、分子間の引力と反発力は考慮されません。

運動論は、気体の分子構成と運動を考慮することで、気体のマクロな特性についての洞察を提供します。運動量と運動エネルギーの定義から始めて、^[18]運動量保存則と立方体の幾何学的関係を使用して、温度と圧力のマクロなシステム特性を分子あたりの運動エネルギーのミクロな特性に関連付けることができます。理論は、これら2つの特性の平均値を提供します。

気体の運動論は、システム（検討対象の気体粒子の集合）が温度の変化に反応し、それに応じて運動エネルギーが変化する仕組みを説明するのに役立ちます。

たとえば、一定の大きさ（一定容積）の密閉容器があり、その中に一定数の気体粒子が入っているとします。絶対零度（原子や分子が熱エネルギーを持たない、つまり運動も振動もしていない理論上の温度）から始めて、容器を加熱することでシステムにエネルギーを追加し、エネルギーが内部の粒子に伝達されるようにします。粒子の内部エネルギーがゼロ点エネルギーを超えると、つまり運動エネルギー（熱エネルギーとも呼ばれる）がゼロでなくなると、気体粒子は容器内を動き始めます。箱がさらに加熱されると（エネルギーが追加されるにつれて）、システム全体の内部エネルギーが増加するのに伴い、個々の粒子の平均速度が増加します。すべての粒子の平均速度が速いほど、粒子と容器の間、および粒子同士の衝突の発生率（つまり、単位時間あたりの衝突回数）が高くなります。

マクロ的に測定可能な圧力の量は、これらのミクロな粒子が表面と衝突することによって直接生じます。表面上では、個々の分子が小さな力を及ぼし、それぞれが特定の領域内に加えられる力の合計に寄与します。( 「圧力」を参照してください。 )

同様に、マクロ的に測定可能な温度量は、粒子が示す全体的な運動量、つまり運動エネルギーを定量化したものです。（ 「§ 温度」を参照してください。）

気体の運動理論では、運動エネルギーはシステム内の粒子の速度分布に従った純粋に線形移動で構成されると想定されています。しかし、実際の気体やその他の物質では、システムの運動エネルギーを定義する運動（集合的に温度を決定する）は、質点と同様に動作する単一の原子と比較して分子の構造が複雑なため、単純な線形移動よりもはるかに複雑です。実際の熱力学システムでは、量子現象が熱運動を決定する上で大きな役割を果たします。分子内のランダムな熱運動（運動エネルギー）は、移動、回転、振動などの可能な運動の有限セットの組み合わせです。この可能な運動の有限範囲と、システム内の分子の有限セットにより、システム内に有限数のミクロ状態が生じます。すべてのミクロ状態の集合をアンサンブルと呼びます。原子または分子システムに特有のもので、状況に応じて、ミクロカノニカル アンサンブル、カノニカル アンサンブル、またはグランド カノニカル アンサンブルの 3 種類のアンサンブルが存在する可能性があります。アンサンブル内のミクロ状態の特定の組み合わせによって、システムのマクロ状態(温度、圧力、エネルギーなど) を実際に定義します。そのためには、まず、パーティション関数を使用してすべてのミクロ状態をカウントする必要があります。統計力学とパーティション関数の使用は、物理化学全体を通じて重要なツールです。これは、システムのミクロ状態と、温度、圧力、熱容量、内部エネルギー、エンタルピー、エントロピーなど、測定可能なマクロ変数との関連を解明する鍵となるためです。(パーティション関数の意味と重要性について読む)

分配関数を使用して分子または分子システムのエネルギーを求める方法は、計算を大幅に簡素化する等分配定理によって近似できる場合があります。ただし、この方法では、すべての分子の自由度が均等に存在し、したがって分子内にエネルギーを蓄えるために均等に利用されていると想定されます。これは、内部エネルギーが温度とともに直線的に変化することを意味しますが、実際はそうではありません。これは、特定の自由度が低温では到達できない (つまり「凍結」する) ため、熱容量が温度とともに変化するという事実を無視しています。分子の内部エネルギーが増加すると、追加の自由度内にエネルギーを蓄える能力も増加します。エネルギーを保持するために利用できる自由度が増えると、物質のモル熱容量が増加します。^[19]

ブラウン運動は、流体中に浮遊する粒子のランダムな動きを説明するために使用される数学モデルです。ピンクと緑の粒子を使用したガス粒子アニメーションは、この動作によってガスが拡散する様子 (エントロピー) を示しています。これらのイベントは、粒子理論によっても説明されます。

個々のガス粒子（原子または分子）を観察することは現在の技術の限界（または限界を超えている）にあるため、それらの動きについては理論的な計算のみが示唆を与えますが、その動きはブラウン運動とは異なります。ブラウン運動は、多数のガス分子の摩擦力による滑らかな抗力と、個々の（または複数の）ガス分子と粒子との激しい衝突によって中断されるからです。したがって、粒子（通常は数百万または数十億の原子で構成）はギザギザの軌道を描きますが、個々のガス分子を調べた場合に予想されるほどギザギザではありません。

2つ以上の分子または原子の間に働く引力または反発力は、分子間力と呼ばれます。分子間力は、分子が物理的に互いに近接しているときに発生します。^{[20] [21]これらの力は、分子システムを適切にモデル化して、}あらゆるシステム内の分子の微視的挙動を正確に予測するために非常に重要であり、したがって、物理的条件の幅広い変化にわたって気体（および液体）の物理的特性を正確に予測するために必要です。

物理化学の研究から生まれた、物理学全体で最も顕著な分子間力の 1 つがファンデルワールス力です。ファンデルワールス力は、粘度、流量、ガス力学など、流体のほぼすべての物理的特性を決定する上で重要な役割を果たします (物理的特性のセクションを参照)。ガス分子間のファンデルワールス相互作用が、「実在気体」をモデル化するのが「理想気体」よりも数学的に難しい理由です。これらの近接依存の力を無視すると、実在気体を理想気体のように扱うことができ、計算が大幅に簡素化されます。

2つの気体分子間の分子間引力と反発力は、それらの間の距離に依存します。複合的な引力と反発力は、分子系の位置エネルギーを記述するすべての原子間ポテンシャルの中で最も広範に研究されているものの1つである^{レナード-}ジョーンズポテンシャルによって適切にモデル化されます。一般的な適用性と重要性のため、レナード-ジョーンズモデルシステムは、「レナード-ジョーンズ分子」と呼ばれることがよくあります。^{[24] [25]分子間のレナード-ジョーンズポテンシャルは}、ロンドン分散力 による長距離引力と、電子間交換相互作用（パウリの排他原理に関連）による短距離反発力の2つの別々の要素に分解できます。

2 つの分子が比較的離れている場合 (つまり、高い位置エネルギーを持っている場合)、弱い引力が発生し、互いに近づこうとするため、位置エネルギーが低下します。ただし、分子が離れすぎている場合は、有意な引力は発生しません。さらに、分子が近づきすぎると衝突し、非常に高い反発力 (剛体球でモデル化) が発生します。この反発力は引力よりもはるかに強い力であるため、近接による引力は無視されます。

2つの分子が、遠すぎず近すぎない距離から互いに近づくと、それらの位置エネルギーの大きさが増加するにつれて（より負に）、それらの引力が増し、それらの総内部エネルギーが低下します。^{[26]分子を近づける引力は、分子が物理的に}近づくのにかかる時間にわたって近接している場合にのみ発生します。したがって、分子が低速で移動しているときに引力が最も強くなります。これは、ガスの温度が低いときに分子間の引力が大きいことを意味します。ただし、この冷たいガスを小さな容積に等温圧縮し、分子を近接させて圧力を上げると、衝突の発生率が大幅に増加するため、反発力が引力よりも優位になり始めます。したがって、低温および低圧では、引力が主要な分子間相互作用です。

2 つの分子が交差しない経路に沿って任意の方向に高速で移動している場合、それらの分子はロンドン分散力の影響を受けるほどの時間を近接して過ごすことはありません。2 つの分子が衝突する場合、それらの移動速度が速すぎて、それらの運動エネルギーが引力の位置エネルギーよりもはるかに大きいため、衝突時に反発力のみが発生します。したがって、高温では高速であるため、分子間の引力は無視できます。高温および高圧では、反発力が分子間相互作用の主な原因となります。

これらの引力と反発力を引き起こす上記の効果を考慮すると、実在気体は理想気体モデルから次のように一般化される。^[27]

• 低温、低圧では、実在気体が占める体積は理想気体の法則によって予測される体積よりも小さくなります。
• 高温、高圧下では、実在気体が占める体積は理想気体の法則によって予測される体積よりも大きくなります。

状態方程式（気体の場合）は、気体の状態特性を大まかに説明または予測するために使用される数学モデルです。現在、すべての条件下におけるすべての気体の特性を正確に予測する単一の状態方程式は存在しません。そのため、特定の温度および圧力範囲の気体について、はるかに正確な状態方程式がいくつか開発されています。最も広く議論されている「気体モデル」は、「完全気体」、「理想気体」、「実在気体」です。これらのモデルはそれぞれ、特定の熱力学システムの分析を容易にするための独自の仮定を持っています。^[28]後続の各モデルは、適用される範囲の温度範囲を拡大しています。

理想気体または完全気体の状態方程式は理想気体の法則であり、次のように表される。

${\displaystyle PV=nRT,}$

ここで、Pは圧力、Vは体積、nはガス量（モル単位）、Rは普遍気体定数、8.314 J/(mol K)、Tは温度です。このように書くと、分子の数nが強調されるため、「化学者バージョン」と呼ばれることもあります。次のように書くこともできます。

${\displaystyle P=\rho R_{s}T,}$

ここで、は特定のガスの特定のガス定数で、単位は J/(kg K)、ρ = m/V は密度です。この表記は「ガス力学」バージョンであり、化学反応を伴わない加速を伴うガスの流れのモデリングではより実用的です。 ${\displaystyle R_{s}}$

理想気体の法則は、気体の熱容量について仮定を立てません。最も一般的な場合、比熱は温度と圧力の両方の関数です。特定の用途で圧力依存性が無視される場合（場合によっては温度依存性も無視される場合）、その気体は完全気体であると言われることがありますが、正確な仮定は著者や科学分野によって異なる場合があります。

理想気体の場合、理想気体の法則は比熱の制限なしに適用されます。理想気体は、圧縮率 Zが 1 に設定され、この空気比が一定であるという前提で単純化された「実在気体」です。圧縮率 1 の場合、4 つの状態変数も理想気体の法則に従う必要があります。

この近似は工学への応用に適していますが、より単純なモデルを使用して、実際の解がどこにあるかについての「おおよその」範囲を作成することもできます。「理想気体近似」が適している例としては、ジェットエンジンの燃焼室内が挙げられます。^{[29]また、}排出量を計算するために、基本反応と化学解離を保持しておくと便利な場合があります。

以下に挙げた仮定は、いずれも問題の解決を複雑化させる。圧力の上昇とともにガスの密度が増加するため、分子間力がガスの挙動においてより重要な役割を果たすようになり、理想気体の法則はもはや「妥当な」結果を提供しなくなる。エンジン温度範囲の上限（例：燃焼器セクション - 1300 K）では、複合燃料粒子が回転と振動によって内部エネルギーを吸収し、その比熱が二原子分子や希ガスの比熱と異なる。その温度の 2 倍以上になると、ガス粒子の電子励起と解離が起こり始め、圧力がより多くの粒子に調整される（ガスからプラズマへの遷移）。^[30]最後に、すべての熱力学的プロセスは、速度が固定分布に従って変化する均一なガスを記述するものと想定された。非平衡状況を使用するということは、解決を可能にするために流れ場を何らかの方法で特徴付ける必要があることを意味する。理想気体の法則の境界を拡大する最初の試みの 1 つは、方程式を調整してpV ⁿ = 定数とし、次に比熱比、γなどのさまざまな値を通じてn を変化させることにより、さまざまな熱力学プロセスをカバーすることでした。

実在ガスの影響には、より広範囲のガス挙動を考慮するために行われる調整が含まれます。

• 圧縮性の影響（Zは1.0から変化可能）
• 可変熱容量（比熱は温度によって変化する）
• ファンデルワールス力（圧縮性と関連し、他の状態方程式に置き換えることができる）
• 非平衡熱力学的効果
• 分子解離と可変組成の素反応に関する問題。

ほとんどのアプリケーションでは、このような詳細な分析は過剰です。実在ガスの影響が大きな影響を与える例としては、非常に高い温度と圧力が存在するスペースシャトルの 再突入や、1990 年のリダウト山の噴火の画像のように地質学的イベント中に生成されるガスが挙げられます。

永久ガスとは、臨界温度が通常の人間が居住できる温度範囲を下回るため、この範囲内の圧力では液化できないガスを指す用語です。歴史的には、このようなガスは液化不可能であると考えられており、永久に気体状態のままです。この用語は、高圧ガスの常温貯蔵および輸送に関連しています。^[31]

ボイルの法則は、状態方程式の最初の表現かもしれません。1662 年、ロバート ボイルは、片端が密閉された J 字型のガラス管を使用して一連の実験を行いました。管に水銀が追加され、管の短い密閉端に一定量の空気が閉じ込められました。次に、管に水銀を追加しながら、ガスの体積を慎重に測定しました。ガスの圧力は、管の短い端の水銀レベルと長い開放端の水銀レベルの差によって決定できます。ボイルの装置の画像は、ボイルがガスの研究中に使用したいくつかの珍しいツールを示しています。

これらの実験を通して、ボイルは、一定温度に保たれたガスによって加えられる圧力は、ガスの体積に反比例して変化することに注目しました。^[32] たとえば、体積が半分になると、圧力は2倍になり、体積が2倍になると、圧力は半分になります。圧力と体積が反比例関係にあることを考えると、温度が一定である限り、閉じ込められたガスの与えられた質量に対して、圧力 ( P ) と体積 ( V ) の積は定数 ( k ) です。式で表すと、次のようになります。

${\displaystyle PV=k}$

一定量のガスの前後の体積と圧力は、前後の温度が同じであれば定数kに等しいため、次の式で関連付けることができます。

${\displaystyle \qquad P_{1}V_{1}=P_{2}V_{2}.}$

1787 年、フランスの物理学者で気球の先駆者でもあるジャック・シャルルは、酸素、窒素、水素、二酸化炭素、空気が同じ 80 ケルビンの範囲で同じ程度膨張することを発見しました。彼は、一定圧力の理想気体の場合、体積は温度に正比例することを指摘しました。

${\displaystyle {\frac {V_{1}}{T_{1}}}={\frac {V_{2}}{T_{2}}}}$

1802年、ジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックは、同様の、しかしより大規模な実験の結果を発表しました。^[33]ゲイ＝リュサックは、シャルルの以前の研究に敬意を表して、彼にちなんでこの法則に名前を付けました。ゲイ＝リュサック自身は、1809年に発見した圧力の法則の功績を認められています。この法則は、理想気体によって容器の側面に及ぼされる圧力は、その温度に比例するとしています。

${\displaystyle {\frac {P_{1}}{T_{1}}}={\frac {P_{2}}{T_{2}}}\,}$

1811年、アメデオ・アボガドロは、同体積の純粋な気体には同数の粒子が含まれていることを証明した。彼の理論は、1858年にイタリアの化学者スタニスラオ・カニザロが非理想的な例外を説明できるようになるまで、一般には受け入れられなかった。1世紀前の彼の気体に関する研究で、彼の名前を冠した物理定数（アボガドロ定数）は、元素炭素12のモルあたりの原子数（6.022 × 10 ²³  mol ⁻¹ ）。この特定の数の気体粒子は、標準温度および圧力（理想気体の法則）で 22.40 リットルを占め、モル体積と呼ばれます。

アボガドロの法則は、理想気体が占める体積は、その体積内の物質の量に比例すると述べています。これにより、標準温度での気体のモル体積は22.4 dm ³ /mol (リットル/モル) になります。この関係は次のように表されます。 ここで、n は気体の物質量 (分子の数をアボガドロ定数で割った値) です。 $${\displaystyle {\frac {V_{1}}{n_{1}}}={\frac {V_{2}}{n_{2}}},}$$

1801 年、ジョン・ドルトンは理想気体の法則の関係に関する研究から分圧の法則を発表しました。非反応性ガスの混合物の圧力は、構成ガスの圧力の合計に等しくなります。数学的には、これはn種のガスについて次のように表すことができます。

圧力_合計= 圧力₁ + 圧力₂ + ... + 圧力_n

ドルトンの日記の画像は、彼が辿った道を記録するために速記として使った記号を描いている。反応しない「弾性流体」（気体）を混合する際の彼の日記の主要な観察には、次のものがあった。^[34]

• 液体とは異なり、重いガスは混合しても底に沈みませんでした。
• ガス粒子のアイデンティティは、最終圧力の決定には影響しません (粒子のサイズが無視できるほど小さいかのように動作します)。

熱力学者は、この係数 ( Z ) を使用して理想気体方程式を変更し、実際の気体の圧縮効果を考慮します。この係数は、実際の比容積と理想比容積の比率を表します。これは、設計目的で理想気体の法則の有効範囲を拡大するための「ファッジ係数」または補正値と呼ばれることもあります。通常、このZ値は 1 に非常に近い値です。圧縮係数の画像は、非常に低い温度の範囲で Z がどのように変化するかを示しています。

粒子は、実際には、その中を移動する物体の表面に「くっつき」ます。この粒子の層は境界層と呼ばれます。物体の表面では、表面の摩擦により、基本的に静止しています。境界層のある物体は、物体が近づくにつれて、残りの分子が「見る」物体の新しい形状になります。この境界層は表面から離れ、基本的に新しい表面を作成し、流れの経路を完全に変更することができます。これの典型的な例は、失速する翼です。デルタ翼の画像は、ガスが前縁に沿って右から左に流れるにつれて境界層が厚くなることを明らかに示しています。

流体力学において、乱流または乱流は、無秩序で確率的な特性変化を特徴とする流れの状態です。これには、低運動量拡散、高運動量対流、および空間と時間における圧力と速度の急激な変化が含まれます。ロビンソン クルーソー諸島周辺の気象の衛星画像がその一例です。

粘性は物理的特性であり、隣接する分子が互いにどれだけくっついているかの尺度です。固体は、これらの粘着性分子間力の強さにより、せん断力に耐えることができます。流体は、同様の負荷を受けると継続的に変形します。気体の粘性値は液体より低いですが、それでも観察可能な特性です。気体に粘性がなければ、翼の表面にくっついて境界層を形成することはありません。シュリーレン画像のデルタ翼を研究すると、気体粒子が互いにくっついていることがわかります (境界層のセクションを参照)。

流体力学において、レイノルズ数は、乱流を支配する慣性力 ( v _s ρ ) と、粘性に比例する粘性力 ( μ/L ) の比です。これは流体力学において最も重要な無次元数の 1 つであり、通常は他の無次元数とともに、動的な相似性を判断する基準として使用されます。このように、レイノルズ数は、モデリング結果 (設計) と実物大の実際の状態を結び付けます。また、流れの特性評価にも使用できます。

自由度の総数が無限大に近づくと、システムは最も高い多重度に対応するマクロ状態になります。この原理を説明するために、凍結した金属棒の表面温度を観察します。表面温度の熱画像を使用して、表面の温度分布に注目してください。この最初の温度観察は「ミクロ状態」を表します。将来、表面温度の 2 回目の観察により、2 番目のミクロ状態が生成されます。この観察プロセスを継続することで、棒の表面の熱履歴を示す一連のミクロ状態を生成することができます。この履歴的な一連のミクロ状態の特性評価は、それらすべてを 1 つのグループにうまく分類するマクロ状態を選択することによって可能です。

システムからのエネルギー伝達が停止した場合、この状態は熱力学的平衡と呼ばれます。通常、この状態はシステムと周囲の温度が同じで、熱が伝達されないことを意味します。また、外部の力が均衡し (体積が変化しない)、システム内のすべての化学反応が完了していることも意味します。これらのイベントのタイムラインは、問題となっているシステムによって異なります。室温で氷の入った容器が溶けるには数時間かかりますが、半導体では、オン状態からオフ状態へのデバイスの遷移で発生する熱伝達は、数ナノ秒程度です。

• 温室効果ガス
• ガスのリスト
• 天然ガス
• 火山ガス
• 呼吸ガス
• 風

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