空気の入った筒のピストンを押すと、空気の体積は小さくなります。では、温度はどうなるでしょう。火で熱していないから変わらない、と決めるのは早すぎます。外から空気を押す仕事によって、空気の内部のエネルギーが増え、温度が上がることがあります。
ただし、「押し縮めたら必ず何℃になる」という一つの答えはありません。周囲へ熱がどれだけ移るか、どのくらい速く押すか、測るまでにどのくらい待ったかが関わります。体積だけでなく、操作と測定の順番を図に並べると、温度の変化を整理できます。
火がなくても、仕事で温度は変わる
気体を押し縮めるとき、ピストンは気体に対して仕事をします。周囲と熱をやり取りしない理想的な圧縮では、その仕事によって内部エネルギーが増えます。気体の温度上昇は、外から熱を与える場合だけに起こるわけではありません。
熱のやり取りをしない過程を断熱過程といいます。ここでの「断熱」は、温度が変わらないことではありません。熱の出入りを無視しても、押したり膨張したりする仕事によって温度は変わり得ます。「熱が入らない」と「温度が上がらない」を同じ意味にしないでください。
図は、同じ空気を閉じ込めた筒を押した直後と、その位置を保ったまま待った後の模型です。短時間の圧縮では熱が逃げる時間が少なく、温度が上がりやすくなります。その後、周囲より温かければ外へ熱が移り、空気の温度は周囲へ近づきます。数値は実測値ではなく説明用です。
「同じ体積」にしても、同じ状態とは限らない
同じ量の空気を同じ体積まで縮めても、押した直後と十分待った後で温度が違えば、圧力も違うことがあります。体積が等しいという情報だけで、気体の状態を全部決めないことが大切です。温度が高い方が、同じ体積でより大きな圧力になるという関係を、条件付きで使います。
ゆっくり押して周囲との熱のやり取りが十分にできる場合は、温度が周囲に近いまま進むことがあります。速く押すことと断熱は厳密には同義ではありませんが、短い時間なら熱移動の影響を小さく考えられる場面があります。問題文がどの模型を指定しているかを優先しましょう。
また、温度が上がったから空気の量が増えたわけではありません。漏れのない筒なら、入っている空気の質量は同じです。分子そのものが大きく膨らんだと説明するのも適切ではありません。体積、質量、温度、圧力という異なる量に、同じ「大きくなった」という言葉を使わないようにします。
実験装置の外側を触って温かく感じた場合には、筒の壁やピストンの摩擦による発熱も混ざり得ます。その感触だけを、閉じ込めた気体の温度の測定値と同じには扱えません。空気の温度を問うなら、温度計の感部が何を測っているかを確かめる必要があります。図に温度計がなく、外側の感触しか記録されていなければ、圧縮の模型で予測される変化と、実際に測った証拠を分けて書きます。
このように、温度が変わる仕組みを知っていることは、どの観察もその仕組みの証明にしてよいという意味ではありません。操作に伴って同時に起きる別の変化を探すと、実験の読み方が一段深くなります。
例題1：測った時刻が違う二つの結果
以下は架空の模型データです。周囲も筒の空気も20℃から始め、素早く押すと直後は32℃でした。ピストンを固定して十分待つと20℃に戻りました。「空気を押しても温度は変わらなかった」というまとめは正しいでしょうか。温度の上昇と、その後の低下をそれぞれ求めてください。
答え・解説： まとめは不適切です。直後には32−20＝12℃上昇し、その後32−20＝12℃低下しています。最初と最後だけを比べれば同じ温度ですが、途中に変化があります。測定時刻を省くと、起こった変化を消してしまいます。操作直後と熱が移った後を、別の行に書く必要があります。
例題2：同じ空気、同じ体積でも圧力は？
二つの同じ筒に同じ量の空気を閉じ込め、同じ体積まで縮めました。Aは直後で温かく、Bは周囲の温度まで冷えています。漏れはなく、問題文には「同じ量・同じ体積なら、温度が高い方が圧力も大きい」と示されています。圧力が大きい方を選び、空気の質量も大きいか答えてください。
答え・解説： 圧力はAの方が大きく、質量は同じです。与えられた関係に温度の違いを当てはめます。押す力が強く感じられることから、空気が増えたと考えてはいけません。ここでは圧力の具体的な倍率は求められません。摂氏の数値をそのまま割り算して倍率を作ることもしません。
気体の問題では、図を「前」と「後」の二枚だけで済ませず、必要なら「直後」と「しばらく後」を分けて描きます。同じ操作をしたつもりでも、温度計を読むまでの時間が違えば結果は変わり得ます。何を測るために、いつ読むのかまで考えると、実験手順の意味が見えてきます。
空気の圧縮と質量と、摂氏温度と気体の体積も合わせて読むと、混同しやすい量を整理できます。