熱力学
理想気体沙盒
n、V、T を変化させ、P が PV = nRT に従う様子を観察してください。
理想気体沙盒 — インタラクティブな熱力学シミュレーション。n、V、T を変化させ、P が PV = nRT に従う様子を観察してください。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
理想気体の状態方程式
n、V、T を変えて P が PV = nRT に従うのを観察してください。
理想気体の法則はボイルの法則、シャルルの法則、アボガドロの法則を一つの状態方程式に統合します。このサンドボックスは温度を明示的に保つので、体積が縮んだりモル数が増えたりすると圧力が上がる様子が見えます。ピストンの壁への分子衝突が巨視的な圧力の読み取り値を生み出します。
- PV = nRT
- KE_avg ∝ T
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
一定量の気体を剛体容器に密封する。加熱すると圧力はどうなるか？
検討する予測
- 温度が上がると圧力は低下する。
- 圧力は温度に比例して増加する。
- 圧力は温度に依存しない。
可変的な役割
設定するもの：
- 温度 T (K)
測定するもの：
- 内部エネルギー U (J)
- 圧力 P (kPa)
実験の進め方
- ideal-gas-sandbox プリセットを開き、「リセット」を押す。アルゴン 1 mol が固定体積 0.0249 m³ を満たしている。
- 容器の圧力表示を有効にする。
- 各試行の気体温度を設定し、圧力を記録する。
支配方程式
理想気体の法則 — P = n·R·T / V
理想気体 n mol では、圧力、体積、温度が P·V = n·R·T で結び付いている。n と V を固定すると、圧力は絶対温度に正比例して上昇する。
理想気体の内部エネルギー — U = f/2·n·R·T
理想気体の内部エネルギーは、圧力や体積単独ではなく温度（と自由度 f）だけに依存する：U = (f/2)nRT。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 1回の試行について、n = 1 mol、R = 8.314 J/(mol·K)、V = 0.0249 m³ を用いて P = nRT/V を計算する。表と比較する。
- 気体の体積と量を固定すると、圧力と絶対温度が正比例する理由を説明する。
実験以外での活用
- 理想気体の法則では、温度は摂氏ではなくケルビンでなければならない。負やゼロの値を許す摂氏を使うと、見つけた正比例関係が壊れる理由を説明する。
- 固定体積でも、内部エネルギーの列は温度とともに増える。U = (f/2)nRT を使って、一定量の気体を一定体積で加熱すると圧力と内部エネルギーが同時に増える理由を説明する。
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.3 Gas laws
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- 上がる? 下がる?
- 温度を上げる
- 圧力を記録する
- データを開く
- 根拠を説明する
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。