気体の体積について

質問

気体の体積についてですが、「体積は○m³」といっても、瞬間に衝突する分子の数も、瞬間に衝突する分子の運動エネルギーの合計も変化するわけですから、（体積は）肉眼では捉えられない範囲で常に変化していると考えていいでしょうか？

回答No.9

uen_sap

質問の意味が分からない。
体積は体積で変わらない。

シツモン
の主旨は空気を詰めた風船の占める体積は、微小変動しているのか？
と言うことでしょう。
体積は概念ですから概念ですが、風船の境界は微小変動していますが、これを称して体が変動するとは言わないと思います。
分子運動論はあくまで平均値がどうなる、と言うことに意味があります。
平均はかわらないですよね。

お礼

ありがとうございます。

回答No.8

NemurinekoNya

何やら面白そうなので、わたしも三度目の登場。

NO７さんのご提案の実験では、
統計（力）学的に別のものを測ることになる可能性があります。

シリンダーの部分を細くすることは、
たとえば、統計でサンプリングの数、標本の数を少なくすることに該当しますよね。
そして、
細くすれば細くするほど、母集団との統計的な性質との乖離が大きくなっていきます。
（標本数を1000人にするか、100人にするかで、平均値などの統計的な性質が異なるのと同じ）

たぶん、
標本を小さくすると、偏差、ユラギ・変動は、母集団のそれより大きくなると思うんですよ。
極端な話、測定で観測する衝突分子を１０個にしちゃえば、変動は大きく出てきます。
しかし、気体の体積はバルク・全体で考えるものでしょう。
「違うものを測っているんじゃないか」と言われたりしませかね～。
特にこの質問で問題として取り上げられているのは、ミクロ、分子レベルの話なので、こうしたことも考え合わせないといけないように思います。
つまり、連続体的な取り扱いをすることができない、ということです。
―――連続体的な取り扱いができるのならば、体積の増加分はその細い部分に現われると考えられますが―――

まっ、少々細くしたくらいでは、変動は計測できないと思いますが。
検出できたとしても、誤差として扱われはしませんかね～。
細くすれば細くするほど、外部からの擾乱の影響が大きくなるので、
この意味においても、
何を測っているのか分からなくなってしまいませんかね。

NO7さんのお考えに対する反論とか批判ではないです。
面白そうな話だったので、この話の輪に加わっただけで～す。

この質問は、
《気体の体積》というものが、いかに曖昧なものか、ということを示す、
非常にいい質問だと、私は思っています。

ネットや本で、《気体の体積》の定義をいくつか調べてみたんですけれど、明確な定義がないんですよ。
熱力学の教科書などでは、《気体の体積》はアプリオリに与えられていますしね。
「気体の占める体積」、
これじゃ～、あんまりだと、
今回のこの質問で思いました。
この質問、すごくいい質問ですよ。

お礼

ありがとうネムネコ。

回答No.7

Nebusoku3

No1です。　まだ楽しそうにやってるようなので追加します。
＞ピストン付きシリンダーに気体を入れて、ピストンの上におもりを載せたものでした。
補足説明から添付のような絵を想像しました。

●シリンダーとピストン部分を気体の部分よりも細くしているのは空気の体積の変化をより細かく観察できるようにしたものです。
理科の実験などでアルコール温度計の下（赤い玉）部分を膨らませているのと似た原理です。　この場合はアルコールではなく、空気ですが。。。

この方法であれば微小な変化も空気の多く入っている下部分の面積と、シリンダー部分の面積比で変化量を大きく見せる事ができます。　シリンダーとピストン部分をもっと長く細くすれば更に細かい変動を観察できるはずです。（この部分を注射器のピストン部分と置き換えてもいいくらいです。）
ご質問や疑問点に対してはこのような内容説明であっていますか？

お礼

ありがとうございます。

回答No.6

NemurinekoNya

～～～～～～～
＞ある一定質量の気体がピストンの中に入っているとします

これはピストンじゃなくてシリンダーじゃない？
～～～～～～～
確かに、おっしゃる通り（ポリポリ）。

☆ということは、ネムネコは圧力の微小変動はあるけど、体積の微小変動は（摩擦があるから）ないと考えているってこと？
◇これは、正直、分からないです。
ごく短い時間に、ピストンに衝突する分子の数は、その都度その都度、異なっているでしょう。
また、その間に衝突する分子の速度分布も、その都度その都度、違うでしょうね。
それは、圧力の揺らぎとして現われると思います。

また、摩擦でピストンがたとえ動かないにしても、
分子がピストンに衝突すれば、その固体壁も変形するでしょう。数密度や平均速度が異なるのですから、その変形の度合いが、その都度その都度、異なることが予想できます。
ただ、それが観測可能なのか、
あるいは、理論的な計算から求めることができるのか、といえば、
このことについてはかなり懐疑的です。

ですから、
体積ではなく、圧力の微笑変動が存在すると考えた方が自然であろう、
というわけです。

☆あと、ネムネコ、哲学カテで回答してる？
こないだ久しぶりに哲学カテ覗いたらネムネコの回答がまったくなかったら、あれ哲学カテやめたのかなって思った。
◇三週間ほど、留守にしておりまして、その期間は、「教えて！」をお休みしていました。
哲学カテに、現在、私が一つ質問をしておりますので、よろしかったらご覧になってください。

ではでは。

お礼

なるほどね。
ありがとう、ネムネコ。

回答No.5

ytrewq

熱運動する分子が衝突する様子はブラウン運動として観察することができます。　

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%96%E3%83%A9%E3%82%A6%E3%83%B3%E9%81%8B%E5%8B%95

感度の圧力センサーを用いれば、体積の微小変化は圧力計測におけるホワイトノイズとして観測できるかもしれません。

お礼

ありがとうございます。

回答No.4

tetsumyi

大学の統計力学では、気体分子運動論としてこのような問題を計算式として解決します。
通常の手法としてアボガドロナンバーの逆数に近い確率となった時点でこのような事象は起きないと結論します。
原理的にはこのような低い確率、変化を測定することが不可能であるとして無視します。

物理学は、その本質として測定できるかどうかで結果を出します。
たとえば宇宙の外側がどうなっているか、なんて質問は物理学の範囲を超えた想像の部類となります。

お礼

ありがとうございます。

回答No.3

NemurinekoNya

そんなことを言い出したら、気体の体積、温度、圧力も定めることができないよ。
熱力学的な平衡はフィクションであって、
これらの量は、そのフィクションをもとにして、定められるているのだから。

それに、
たとえば、ある一定質量の気体がピストンの中に入っているとします。
その仕切り板（名前を知らないのでこう呼んだ）とピストン容器の間には摩擦があるので、
ピストン内の気体の体積（？）が時々刻々変わるためには、
圧力の微小変動が、摩擦力よりも大きくなければならない。
はたして、その摩擦力より圧力の微小変動が大きいのだろうか。
これはかなり疑わしいよ。
僕は、それほど、圧力の微小変動は大きくないと思うよ。
体積が変化すると考えるより、圧力が変わると考える方が自然なのではないかい。

お礼

ありがとう、ネムネコ。
たしかに、摩擦があるね。
ということは、ネムネコは圧力の微小変動はあるけど、体積の微小変動は（摩擦があるから）ないと考えているってこと？

あと、

＞ある一定質量の気体がピストンの中に入っているとします

これはピストンじゃなくてシリンダーじゃない？

そんで、

＞その仕切り板（名前を知らないのでこう呼んだ）

これがピストンじゃない？

あと、ネムネコ、哲学カテで回答してる？
こないだ久しぶりに哲学カテ覗いたらネムネコの回答がまったくなかったら、あれ哲学カテやめたのかなって思った。

回答No.2

oo14

体積が変化すると仕事をしてしまいます。
仕事をされると報酬が必要になります。
ですから、仕事はしていません。
サービス残業もありません。
ですから、労働基準監督局がでしゃばることもありません。
そんなの常識♪　ぱっぱぱらりら、ぴーひゃら♪ぴーひゃら♪

回答No.1

Nebusoku3

閉じ込められた気体の体積はその容器が変化しない限り、一定です。
空気中にある気体は温度などの影響で、常にその体積が変動しています。（空気自体もかなり変動していますね。　極端な例は　台風など、1013パスカルよりもかなり低い、950パスカルなどを示す場合もありますね。（高気圧下では圧縮され、低気圧下では膨張）

容器に閉じ込められた気体であっても、さまざまな気体が混入していると想定した場合、それぞれの気体の物性で、温度膨張の大きいもの小さいものとの関係でその限られた容器内での、それぞれの気体の体積比率が変わってくることも推定できます。

●肉眼では捉えられない範囲で常に変化していると考えていいと思います。

お礼

ありがとうございます。
私が考えていたものは、ピストン付きシリンダーに気体を入れて、ピストンの上におもりを載せたものでした。
この場合、巨視的には、おもりによる圧力と気圧が完全に釣り合い、ピストンは完全に静止し、微動だにしませんが、微視的には、ピストンに衝突する気体分子の数もピストンに衝突する気体分子の運動エネルギーの合計も刻々と変化するので、その度にピストンは上下に動いているのではないか（もちろん肉眼では捉えられない範囲で）、と思ったのです。
つまり、厳密には、おもりによる圧力と気圧は完全には釣り合っておらず、気圧の方がおもりによる圧力より大きいときもあるし、小さいときもあるのではないか。
いや、むしろ、ほとんどの瞬間ではそうであり、おもりによる圧力と気圧が完全に釣り合う瞬間など、ほとんどないか、まったくないのではないか、ということです。