シャルルの法則とボイルの法則

状態方程式 P = ρ × R × T の中で、ある変数を一定に固定すると、残りの変数の間にシンプルな関係が見えてきます。

シャルルの法則（気圧一定のとき）

気圧 P を一定とすると、気体定数 R も一定なので、変化するのは密度 ρ と絶対温度 T の2つだけになります。

このとき、密度と絶対温度は反比例の関係にあります。つまり、

• 密度が大きくなると → 絶対温度は低くなる
• 密度が小さくなると → 絶対温度は高くなる

これをシャルルの法則といいます。

日常的な意味

気圧が同じ条件で比べたとき、暖かい空気は密度が小さく軽い、冷たい空気は密度が大きく重いということです。

熱気球が空を飛べるのはまさにこの原理です。バーナーで空気を暖めると密度が小さくなり（軽くなり）、周囲の冷たい空気より浮力が生じて上昇するのです。

ボイルの法則（絶対温度一定のとき）

絶対温度 T を一定とすると、変化するのは気圧 P と密度 ρ の2つだけになります。

このとき、気圧と密度は比例の関係にあります。つまり、

• 密度が大きくなると → 気圧も大きくなる
• 密度が小さくなると → 気圧も小さくなる

これをボイルの法則といいます。

日常的な意味

温度が同じ条件で比べたとき、密度が小さい（軽い）空気は気圧が小さい、密度が大きい（重い）空気は気圧が大きいということです。

ボイル＝シャルルの法則

状態方程式全体を指して、ボイル＝シャルルの法則とよぶこともあります。

比例と反比例のまとめ

関係	意味
比例	一方が大きくなると、もう一方も大きくなる
反比例	一方が大きくなると、もう一方は小さくなる
2乗に比例	一方が2倍になると、もう一方は4倍（2²）になる
2乗に反比例	一方が2倍になると、もう一方は1/4（1/2²）になる

分圧と全圧

空気はいくつかの気体の混合物です。気圧を個々の気体ごとの圧力に分けて考えることができます。

• 分圧：気圧を個別の気体の圧力に分けたもの
• 全圧：すべての分圧を足し合わせたもの（＝ 気圧）

たとえば地上の気圧が約1000hPaの場合、窒素の分圧は約800hPa（約80%）、酸素の分圧は約200hPa（約20%）となります。