温度と体積について。

物理学の質問です。

ある参考書にて、気体の温度は高ければ膨張し、低ければ収縮することとー２７３℃まで落とすと物質内の分子が運動しなくなるということを学びました。

本題はここからで参考書内では例えとして「自由に動けるピストンのついたシリンダーケース」というのが出てくるのですがいまいち理解できませんでした。これの左側と右側の部屋にそれぞれ同じ温度の空気を入れて、左側の温度を下げれば右側の空気に押されて最終的に左側はぺしゃんこになるそうです。言ってることはわかるのですがいまいちイメージできなくてモヤモヤしてます。

熱力学に詳しい方でこれらの分かりやすい例えを教えてはもらえないでしょうか？

よろしくお願いします。

No.2 ベストアンサー 回答者： yhr2 回答日時： 2022/10/25 11:17

＞左側の温度を下げれば右側の空気に押されて最終的に左側はぺしゃんこになるそうです。

「左側の温度を下げれば右側の空気に押されて」の部分は良いですね？
飲みかけのペットボトルを冷蔵庫に入れておくと、ペットボトルがつぶれますよね？　経験したことがあるでしょう？
室温でペットボトル内に入った空気が、冷蔵庫で冷やされて体積が小さくなったからです。

納得できないのは、「最終的に左側はぺしゃんこになる」ということですか？
それは無理もないことですね。
現実に「絶対零度（-273℃）」を経験することはありませんから。

気体の「圧力」とは、要するに「気体分子の運動エネルギー」（正確には「運動量」）によるものです。
水を冷やせは 0℃ 以下で凍るように、気体も温度を下げれば「液体」に、そしてやがては固体になります。
酸素は -183℃ で液体に、-219℃ で固体になります。
窒素は -196℃ で液体に、-210℃ で固体になります。
こんな世界はなかなか見られませんが、いろいろなものを低温凍結させておくために、よく「液体窒素」などが使われているのはご存じですよね。
そして、「絶対零度」（-273℃）では、分子の運動エネルギーが 0 になります。つまり「これ以下の温度は存在しない」状態になります。

このように、「シリンダーの左側の気体」も、-200度を超えたところで液体になり、絶対零度では固体になっています。もちろん「液体」や「個体」でも体積は 0 ではありませんが、気体に比べると圧倒的に小さい体積です。水の場合には、気体（水蒸気）が水になると体積は 1/1700 になるそうです。
このため、「シリンダーの左側はぺしゃんこになる」のです。

私も、そういう光景を見てみたいものです。

No.1 回答者： Zincer 回答日時： 2022/10/25 11:04

理想気体の話ですよね？

この（気体）分子は
・体積がない
・分子同士が互いに相互作用を示さない
のような仮想の分子を想定しています。
ですから、絶対零度になって運動が止まると体積が０（ゼロ）になるのです。
なので、実際にイメージできる現実の例を挙げることはできません。
しかし、実際に存在する気体でも
・占有する体積に対して、その分子の体積が無視できるほど小さい
・分子同士が十分に離れているので、ほとんど相互作用はない
などの条件を満たすことによって、ほとんど理想気体と同じように取り扱うことができるのです。