あるる「博士ぇ〜。そろそろ暑くなってきたので、カレーを作ってきましたー！　一緒に食べましょう！」

博士　「おっ、珍しいこともあるもんじゃ。ではありがたく頂くとしよう」

博士・あるる　「いただきま〜す」

博士　「ん？？　なんだこのジャガイモ、まだ芯が硬いぞ・・・」

あるる　「えーー？！（パクッ）。あ〜、ホントだ・・・。この前煮すぎてジャガイモがドロドロに溶けちゃっから、今回はキレイに仕上げようと思って・・・」

博士「早く火を止めたんじゃな。ちょっと気が早かったのぅ」

博士「そうじゃ。あるる。短時間でキレイに煮る方法があるんじゃが、知っとるかな？」

あるる「えっ？　魔法？」

博士「そんなわけなかろうて。正解は、“圧力鍋”じゃよ」

あるる　「圧力鍋って、あの重た〜い鍋ですよね」

博士　「そうじゃ。圧力鍋は高温で調理できるから、短時間で美味しく作れるぞ。

しかも、光熱費の節約にもなるんじゃ」

あるる　「へぇ〜。いいなぁ〜、圧力鍋。欲しいなぁ〜。

あるる「でも博士、なんで高温になるんですか？」

博士　「それは、圧力鍋だからじゃよ。」

あるる　「・・・ (-_-)　はーかーせー」

博士　「おお、すまんすまん。実は圧力と温度は密接な関係があるんじゃよ。

よし、ちょうど良い機会じゃ。今日は圧力について勉強するとしよう」

 



 

 

 

これまで2回にわたり「熱」についてお話しました。

その中で、我々が通常使用している温度の単位は「摂氏」（℃）であること。

そしてもともとの定義は、「1気圧における水の凝固点を0 ℃、沸点を100 ℃としたもの」

だとご説明しました。

 

気圧とは「気体の圧力」のことです。

地球をとりまいている大気、空気の重さによって生じる圧力で、「大気圧」とも言います。

 

今回は、この「圧力」についてお話しましょう。

 

本題に入るまでに、少しおさらいです。

気体の圧力の根源は、分子の熱運動ですので、熱運動の運動エネルギーが大きいほど

（＝温度が高いほど）気体の圧力は大きくなります。

また、分子の数が多いほど気体の圧力は大きくなります。

 

気圧の他にも水の圧力が「水圧」、油の圧力が「油圧」など、

私たちの身の回りではいろんな物質の圧力が利用されています。

 

 

圧力とは

 

まず圧力といえば、最初に出てくるのが「パスカルの原理」です。

 

これは流体が密閉容器の中に入れられていて、各分子が静止している場合、

あらゆる地点の圧力は等しくなるということです。

 


パスカルの原理

 

 

圧力とは単位面積あたりにかかる力のことで、SI単位ではPa（パスカル）です。

 

１Pa = １N/m²なので、

１Paとは1m角の面に１N（約0.102kgf）の力が掛かっているということです。

 



 

 

手のひらに物を載せた時に、同じ質量のものでも

接触面が小さいと圧力は大きくなります。

 

固体の場合には、圧力は接触している一方向からのみですが、

流体の場合は接触している全方向からかかります。

 

今回は、流体の圧力についてお話ししたいと思います。

 

 

2種類の圧力　絶対圧とゲージ圧

 

圧力には 絶対圧 と ゲージ圧 があり、単位は、Mpa（メガパスカル）です。
[※ M（メガ）は接頭語で10⁶を表す]

 

絶対圧の場合は、AまたはAbs、

ゲージ圧の場合はGまたはGaugeなどの

添え字を単位記号の後に用いて区別しています。

 

絶対圧は「0」が絶対真空です。

天気予報で言われる気圧は絶対圧であり、負圧はありません。

 

ゲージ圧は大気圧を「0」としたものです。

大気圧との差圧であり、負圧があります。

 

圧縮空気の圧力や水圧、油圧などはゲージ圧で表しています。

 

 



 

標準大気圧は絶対圧

 

標準大気圧は絶対圧です。

101,325Pa＝1,013.25hPaと決められており、

これがいわゆる1気圧です。

[※ h（ヘクト）は接頭語で10²を表します]

 

1気圧は地上において、その上にある空気の重さです。

日常ではあまり感じませんが、空気にも重さがあり、わたしたちはいつも空気に押されています。

 

空気の質量は0℃、1気圧で1.293kg/m³と非常に軽いものですが、

地表面に高く積みあがっているので

地表では1m²当り約10トン（１cm²当り約１kg）もの力が

すべての方向から掛かっています。

 

また、気圧は空気の重さによる圧力ですから、

緯度や高度により変化します。

高い山へ行くと気圧が低くなるのは、上にある空気の量が少なくなるからです。

 



 

我々が圧力計で見るのはゲージ圧になりますが、

ベースとなる大気圧は絶対圧で0.1MPaになります。
（場所により異なりますが、微差なのでゲージ圧を考える時は誤差と見なして0.1MPa）

 

絶対圧は、ゲージ圧と大気圧の和になるので、

ゲージ圧で0.3MPaは、絶対圧で0.4MPaになります。

 

0.4MPa（絶対圧力）＝0.3MPa（ゲージ圧）＋0.1MPa（大気圧）

 

温度が同じであれば、ゲージ圧0.3MPaの圧縮空気は大気に対して

体積が1/4になっているわけです。

 

 

気体の体積変化

 

気体には、その種類に関係なく、「圧力と体積と温度」の間に

一定の関係があります。

 

気体の体積が圧力、温度、物質量によってどの様に変化するか、

その法則性についてお話しましょう。

 

 

ボイルの法則

ボイルの法則とは、一定温度下での体積と圧力の関係です。

 

ボイルの法則：温度と質量が一定のとき、
気体の圧力p は体積V に反比例する

ｐV＝ｋ（一定）


 



 

これは体積を1/2にすると、単位体積当たりの分子数が2倍になり、

単位時間あたりの分子の衝突回数が2倍になる、

つまり圧力が2倍になるということを言っています。

 



 

気体の圧力とは分子の単位時間当たり、単位面積当たりの衝突回数なのです。

 

シャルルの法則

 

シャルルの法則とは、一定圧力下での体積と温度の関係です。

 

シャルルの法則：圧力と質量が一定のとき、
気体の絶対温度T は体積V に比例する

 

V／T＝ｋ（一定）

 



 

これは温度が上昇すると分子の運動が激しくなり、体積が増加するということです。

 

圧力が一定のとき、一定量の気体の温度を１℃変化させると、

体積は０℃のときの体積の１/２７３だけ増加（減少）することになります。

 



 

ボイル・シャルルの法則

 

ボイルの法則とシャルルの法則を組み合わせると、

圧力と温度が同時に変化した時の関係を導くことができます。

 



 

ボイル・シャルルの法則：質量が一定のとき、
気体の体積V は圧力p に反比例し、
絶対温度T に比例する

ｐV／T＝ｋ（一定）

 

 

つまり、気体の温度が上昇して、体積もそれに応じて増加すれば、圧力は変わりません。

 

しかし、密封容器内の気体を加熱した場合などは体積変化がないので

分子の運動が激しくなった分、衝突回数が増加し、圧力が高くなるということになります。

 

このように圧力、体積、温度は密接な関係にあるわけです。

 

※ボイル・シャルルの法則は理想気体という理論上の法則です。
実在の気体では、分子の大きさや分子間の相互作用により誤差が出ます。
特に低温や高温では誤差が大きくなります。

 

 

博士「どうじゃ、あるる。圧力と温度の関係、わかったかな？」

あるる「はい！　不思議なことに、鍋の中をイメージしながら話を聞いていたら、よーくわかりました」

あるる「要するに、圧力鍋は蒸気を密閉して逃さないようになっているから、鍋の中の圧力が上がる。だから沸騰温度も高くなって、短時間で煮えるんですね！」

博士「・・・正解・・・。珍しいこともあるもんじゃ・・・。あるるの食いしん坊がこんなところに役に立つとは（驚）」

あるる「すごいなぁ〜、圧力鍋！　早速買いに行きます！」

博士「（なんだこの決断力と行動力は・・・）で。何を作ってくれるんじゃ？」

あるる「まずはリベンジでジャガイモをゆでます！　後は、トウモロコシでしょ。ゆで卵でしょ。あー、今の季節な枝豆もいいなぁ〜。ソーセージも、あ、キャベツも茹でると甘くなるんだよねねぇ〜」

博士「おいおい、茹でてばっかりじゃないか」

あるる「え？　だって「ボイル」するんでしょ。“アルル・ボイルの法則”ーーーなんちゃってぇ〜♪（にやり）」

博士「ふぉっふぉっふぉっ。最後の方、やけにニヤニヤしていたと思ったら、そんなことばかり考えいていたんじゃな。お願いだから、シチューとか肉じゃがとか、いろんな料理を作っておくれよぅ」