危険物乙四 基礎的な物理学及び基礎的な化学 問19｜ボイル・シャルルの法則

正しいのはイです。圧力が一定なら、気体は温まると膨らみます（体積は絶対温度に比例）。

• ア（誤）: 温度一定では体積は圧力に反比例（押すと縮む）。比例ではない。
• イ（正）: 圧力一定で体積は絶対温度に比例（温めると膨らむ）。
• ウ（誤）: 体積一定では圧力は絶対温度に比例（温めると圧力が上がる）。反比例ではない。
• エ（誤）: 気体の体積は圧力・温度で変わる。
• オ（誤）: 温度一定ではPVは一定（温度に比例して増えるは誤り）。

「圧力一定→温めると膨らむ（比例）」が要点です。

気体の法則:

一定量の気体について、圧力P・体積V・絶対温度T（K＝℃＋273）の関係は次のとおりです。

• ボイルの法則（温度一定）: PV＝一定 → 体積は圧力に反比例（圧力を2倍にすると体積は1/2）（ア＝誤）。
• シャルルの法則（圧力一定）: V/T＝一定 → 体積は絶対温度に比例（温度が上がると体積は増える）（イ＝正）。
• ボイル・シャルルの法則: PV/T＝一定 → 上記を統合。
• 体積一定（参考）: P/T＝一定 → 圧力は絶対温度に比例（温度が上がると圧力が上がる）（ウ＝誤：反比例は誤り）。

気体の体積・圧力は温度や圧力で変化します（エ＝誤）。温度一定ではPVが一定なので、PVが温度に比例して増えるという記述も誤りです（オ＝誤）。

引っかけパターン:

• 比例と反比例の取り違え（ア・ウ）
• 温度を℃のまま使う（必ず絶対温度Kで考える）

「温度一定＝反比例（ボイル）／圧力一定＝比例（シャルル）／温度は絶対温度」を固定します。

【理論的背景】

気体の分子は空間を自由に飛び回り、容器の壁にぶつかって圧力を生みます。温度が上がると分子の運動が激しくなり、(1)圧力一定なら体積が増え（膨らんで壁との衝突頻度を保つ＝シャルルの法則）、(2)体積一定なら圧力が増えます（衝突が激しくなる）。圧力を上げると、(3)温度一定なら体積が縮みます（押し込められる＝ボイルの法則）。これらは「分子運動の激しさ＝温度」「壁への衝突＝圧力」というイメージで一貫して理解できます。

【実務・条文構造（法則の整理）】

一定量の気体について、状態量の関係は次の3式にまとまります（温度は絶対温度T〔K〕＝℃＋273）。

• ボイルの法則（T一定）: P₁V₁＝P₂V₂（PV＝一定）。
• シャルルの法則（P一定）: V₁/T₁＝V₂/T₂（V/T＝一定）。
• ボイル・シャルルの法則: P₁V₁/T₁＝P₂V₂/T₂（PV/T＝一定）。

ここで重要なのは、温度を必ず絶対温度（K）で扱うことです。摂氏（℃）のまま比例計算すると誤ります。例えば0℃（273K）から273℃（546K）へ上げると絶対温度は2倍になり、圧力一定なら体積も2倍になります。℃で「0℃→273℃で温度が無限倍」などと考えると破綻するため、絶対温度への換算が前提です。

【危険物との接続】

気体の法則は、危険物の取扱いで次のように効いてきます。

• タンク内圧の変動: 密閉タンク内の蒸気は、気温上昇（温度上昇）で圧力が上がります（体積一定→P/T一定）。これがタンク変形・噴出の原因となるため、通気管・安全装置で圧力を逃がし、満タンにせず空間容積を残します。
• 液の熱膨張: 液体も温度で膨張するため（別論点）、空間容積で吸収します。
• 蒸気の拡散: 温度が上がると蒸気の体積が増え、可燃性蒸気が広がりやすくなります。

このように、気体の法則は「温度が上がると圧力・体積が増える」という形で、タンクの安全設計（通気管・空間容積）の理論的裏づけになっています。

【試験での位置づけ】

気体の法則は、(1)温度一定＝反比例（ボイル）、(2)圧力一定＝比例（シャルル）、(3)温度は絶対温度、の3点が問われます。誤答は比例と反比例の取り違えで作られるため、「押すと縮む＝反比例」「温めると膨らむ＝比例」という直感像で固定すると確実です。乙四では複雑な計算より、どの量がどの量に比例／反比例するかの定性的理解が中心です。本問のように記述の正誤を問う形が多いので、3つの法則の「何が一定で、何が比例／反比例か」を整理しておきます。

【各選択肢の発展補足】

• ア（誤）: 温度一定では体積は圧力に反比例（ボイル）。比例ではない。
• イ（正）: 圧力一定で体積は絶対温度に比例（シャルル）。温めると膨らむ。
• ウ（誤）: 体積一定では圧力は絶対温度に比例。反比例ではない。
• エ（誤）: 気体の体積は圧力・温度で変化する。
• オ（誤）: 温度一定ではPVは一定。温度に比例して増えるは誤り。

【根拠】ボイルの法則・シャルルの法則・ボイル＝シャルルの法則（確立した物理学）。

【補足】温度一定＝反比例（ボイル）／圧力一定＝比例（シャルル）／PV/T＝一定。温度は絶対温度K。タンク内圧上昇の理論的根拠。