あるる「みなさん、こんにちは。基礎用語、案内役のあるるです。

今回注目する基礎用語は『圧力』。英語にすると「プレッシャー」！！

今月の基礎用語：ア＃003
圧力（あつりょく）　pressure（ぷれっしゃー）

あるる「よく『あいつはプレッシャーに弱い』『プレッシャーに負けるな』とか言いますが、あれって『圧力に弱い』『圧力に負けない』ってことだったんですね。知っているつもりでしたが、今、改めて脳に届きました♪　そうか、圧力だったのか・・・」

博士「今回説明したい「圧力」とはちょっと意味が違うのじゃが・・・まぁ、あるるはとってもプレッシャーに強いな。羨ましいほどに」

あるる「あ、博士！　いやいや、そんなことありませんよ。今もこうしているだけで、あるるのガラスのハートは壊れそうで・・・」

博士「ふぉっふぉっふぉっ。自分のことは自分が一番わからんというからのぅ（笑）　ま、今日のところはそういうことにしておいて、本題に入ろうではないか」

あるる「もう、博士ったらぁ〜（ぷんぷん）。でも、そうしましょ♪ 「圧力」の解説、はじめますよ〜♫」

博士「その切り替えしの早さが、プレッシャーに強いということなのじゃが・・・（笑）」

「プレッシャー」の意味を辞書で調べてみると、

〘名〙 (pressure)

① 圧力。単位面積当たりにかかる力。
② 社会的な圧力。強制力。
③ 心理的、精神的な圧迫。

とあります（精選版 日本国語大辞典より）。

さらに「圧力」の意味を調べてみると、

〘名〙 押しつける力。

① 物体が他の物体を押す力。物理では二つの物体が接触面を境にして、互いにその面に垂直に押し合う単位面積当たりの力をいう。単位に、Pa （パスカル）、dyn/cm²、kgf/cm²などがある。

② 人を威圧する力。人に圧迫を加える力。

となっています（同じく精選版 日本国語大辞典より）。

今回注目するのは。もちろん①です。

「圧力」と聞いてすぐにピンとくるのが「気圧」だと思います。天気予報、特に台風シーズンには、よく耳にすると思います。この気圧とは「気体の圧力」のこと。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。

そして、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。気圧の他にも水の圧力が「水圧」、油の圧力が「油圧」などがあります。

【あるるノート＃003】

私たちの身の回りにはいろんな「圧力」がある。

たとえば、気圧、水圧、油圧など。

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（ニュートン：約0.102kgf）の力が掛かっているということです。

圧力の基本

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。

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。

絶対圧とゲージ圧

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10ton（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。

山と平地の気圧の違い

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。まずは「ボイルの法則」から説明しましょう。

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。

温度と質量が一定のとき、気体の圧力p は体積V に反比例します。

ｐV＝ｋ（一定）

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。

シャルルの法則とは、一定圧力下での体積と温度の関係です。

圧力と質量が一定のとき、気体の絶対温度T は体積V に比例します

V／T＝ｋ（一定）

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 に比例します

ｐV／T＝ｋ（一定）

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 に比例します 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。

あるる「豆知識で博士に教えてもらったときには、『圧力鍋』をイメージしていたことを思い出しました！」

博士「おお、そうじゃったのぅ。あの後作ってくれたカレー、美味しかったぞ♪」

あるる「そうでしたねー！　懐かしい〜♪ 　そうと聞いたら、なんだかお腹が空いてきちゃいました。よし！今夜はカレーを作るぞ！！　それでは早速、買い物に行ってきま〜す（シュタッ！）」

博士「なんと素早い・・・食べることになると、惚れ惚れするほどのスピード感を発揮するのぅ。う〜む、見事じゃ。これもあるるの特殊能力なのじゃのぅ（笑）」