高校物理 断熱自由膨張の途中の状態で、気体の状態方程式が成立しない理由

断熱自由膨張などの自由膨張の途中の状態では、気体の状態方程式って成立しませんよね？
その理由をご教授ください。教科書等の物理の参考書を参照しましたが、状態方程式の成立条件については、理想気体であることしか書いていませんでした。色々考えた結果、気体が均一に容器内に分布していないからではないかと思ったのですが、合っていますか？
また、気体の状態方程式が成立するための条件って、気体が均一に分布していることと、気体が理想気体であること以外に何かありますでしょうか？
ご回答宜しくお願いします！

No.1 回答者： ナッキーナッキー 回答日時： 2017/08/29 15:39

断熱自由膨張の「途中」の状態ですね(^^;)

何故成り立たないかと言うと、熱平衡状態にないからです(・ε・´)
特殊な問題を除き、高校物理と大学の初等熱力学では、「準静的過程」と呼ばれる、
熱平衡状態を保ったまま気体を変化させる場合しか取り扱いませんΣ(・ω´・ノ)ノ　
ですから、断熱自由膨張の「途中」など以外は、常に熱平衡状態にあるとして考えるんですね(・ー・)
高校物理の教科書・参考書では、この「準静的過程」しか取り扱わない事を前提に記述されているので、
熱平衡になければならないという条件は書かれていません(￣、￣）

＞気体が均一に容器内に分布していないからではないかと思ったのですが、合っていますか？

これも熱平衡状態にない状態ですから、合っていますよ(^^)

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます！
「熱平衡状態」と「準静的過程」という二つ聞きなれない言葉のところで躓いてしまったので、この二つについて分かりやすく教えて頂けないでしょうか？
お手数お掛け致しますが、ご回答宜しくお願いします！

お礼日時：2017/08/29 15:53

No.2 回答者： doc_somday 回答日時： 2017/08/29 19:49

第一に理想気体の方程式は「平衡状態」でその上複数の状態間で移動はしない完全に「静的」状態を前提にしています。

それでは困るなら「準静的過程」を使います。二つの状態が「充分長い時間」(中学生は無限の時間と呼ぶ)の間に変化するのが前提。ですから変化が「見えて」は理想気体の関係式を使うことが出来ない。それが「途中の時間」では役立たずである理由です。

No.3 回答者： ナッキーナッキー 回答日時： 2017/08/29 20:09

「熱平衡状態」とは、簡単に言うと、全体の温度が同じになって、熱が移動しなくなった状態です

例えば、お湯に冷水を入れたとき、最初は温かい所と冷たい所がでてきますが、
しばらくしたら、全体が同じ温度になりますね・・・この同じ温度になった状態が「熱平衡状態」です
気体の場合は、熱平衡状態に達すると、温度がどこでも同じになる他に、圧力などもどこでも同じになります
・・・平たく言えば、気体が安定した状態ですね
状態方程式はこの時にしか使えません・・・つまり、気体の中で温度にばらつきがあるとか、圧力が場所によって違うなどの時は使えないんですね
で、自由膨張の「途中」では、場所によって温度や圧力に違いがあるので、状態方程式を使う事ができません
考えてみれば、状態方程式の問題を解くとき、問題に書かれていなくても、この状態になっている事を”あたりまえ”として解いてますよね

「準静的過程」という言葉は、高校では習いませんし、知らなくても大丈夫です
ピストンつきのシリンダーに気体を入れて変化させる問題は解いたことがありますか？
もし、あるのでしたら、頭の中に思い描いてみて下さい
気体を急激に熱したとすると、場所によって温度や圧力に違いが生まれそうですよね
でも、高校物理では、こういう事が起こらないように熱する事が前提にあるんですね
つまり、気体は常に熱平衡状態にある（どこでも温度や圧力が同じ）として扱います
熱平衡状態にあると、気体がピストンを押し上げたり、またはピストンが下がったりしないような気がしますが（何故なら、熱平衡状態は変化が止まった状態と言えるからです）
変化を十分ゆっくり（すごーくゆっくり）行わせる事で、常に熱平衡状態を保ちつつ変化させる事ができるんですね
これが「準静的過程」ですが、簡単に、熱平衡状態が保たれるようにゆっくりと変化させる過程ってとらえてください
高校物理で気体を変化させるときは「準静的過程」ですから、特殊な問題を除いては、いつでも状態方程式やボイル・シャルルの法則は使えます
ただし、問題を解くとき、気体は常に熱平衡状態にある・・・言い換えると、つり合いの状態にある事を理解していないと、
混乱して問題の意味が分からなくなる場合がありますので、注意して下さいね(^^)

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございます！熱平衡状態とは、場所によって気体の温度や圧力に違いがないということですね！分かりやすい説明ありがとうございました！
「準静的過程」の準静的とは、変化は非常にゆっくりだけれども、変化していない（静的な）訳ではないということですよね。
ここで、最後に一つだけ疑問に思ったのですが、静的過程とか動的過程という言葉って存在したりするのでしょうか？
お手数お掛け致しますが、ご回答宜しくお願いします！<(_ _)>

お礼日時：2017/08/30 13:20

No.4 ベストアンサー 回答者： ナッキーナッキー 回答日時： 2017/08/30 14:27

Ｎｏ３です(^^)

「静的過程」、「動的過程」という言葉をあらゆる分野で使わないかどうかは、残念ながら知りませんm(_ _)m
でも、
「静的過程」・・・変化しない過程って言う意味になって、何かヘン
「動的過程」・・・変化している過程って言う意味になって、何だかしつこ表現
ですね(^^;)
「準静的過程」は、変化していないようで、変化しているから用語が決められているのだと思います(－＿－)

あんまり参考にならなくてゴメンネ<(_ _)>

この回答へのお礼

ご回答ありがとうございました！分かりやすい説明を何度もありがとうございました！また機会がありましたら、ご回答宜しくお願いします！

お礼日時：2017/08/30 14:37