比容積：水、空気、蒸気、窒素、理想ガス - 化学

特定のボリュームは、各要素または材料の特性集中的特性です。これは、ある量の物質（キログラムまたはグラム）が占める体積間の関係として数学的に定義されます。つまり、密度の逆数です。

密度は、1 mLの物質の重量（液体、固体、気体、または均一または不均一な混合物）を示しますが、比体積は、1 g（または1 kg）を占める体積を指します。したがって、物質の密度がわかっていれば、逆数を計算してその特定の体積を決定するだけで十分です。

「特定の」という言葉は何を指しますか？特性が特定であると言われる場合、それは質量の関数として表されることを意味します。これにより、広範な特性（質量に依存）から強い特性（システムのすべての点で連続）への変換が可能になります。

比容積が通常表現される単位は、（m ³ / Kg）または（cm ³ / g）です。ただし、この特性は質量に依存しませんが、物質に入射する温度や圧力などの他の変数に依存します。これにより、1グラムの物質が高温でより多くの体積を占めるようになります。

水の

最初の画像では、液体の表面と混ざろうとしている水滴を見ることができます。本来は物質であるため、その質量は他と同様に体積を占めます。この巨視的なボリュームは、ボリュームとその分子の相互作用の積です。

水分子の化学式はH ₂ Oで、分子量は約18g / molです。それが示す密度は温度にも依存し、マクロスケールではその分子の分布は可能な限り均一であると見なされます。

温度Tでの密度値ρを使用して、液体水の比体積を計算するには、次の式を適用するだけで十分です。

v =（1 /ρ）

ピクノメーターを使用して水の密度を実験的に決定し、次に数学的な計算を実行することによって計算されます。各物質の分子は互いに異なるため、結果として得られる比体積も異なります。

広い温度範囲にわたる水の密度が0.997 kg / m ^3である場合、その比体積は1.003 m ³ / kgです。

空気は、主に窒素（78％）、続いて酸素（21％）、最後に地球大気中の他のガスで構成される均一な気体混合物です。その密度は、分子のすべての混合物の巨視的な表現であり、効率的に相互作用せず、すべての方向に伝播しません。

物質は連続的であると想定されているため、コンテナ内での広がりはその組成を変更しません。この場合も、前述の温度と圧力の条件で密度を測定することにより、1 gの空気が占める体積を決定できます。

比体積は1 /ρであり、そのρは水のそれよりも小さいため、その比体積は大きくなります。

この事実の説明は、水と空気の分子相互作用に基づいています。後者は、湿度の場合でも、非常に低温と高圧にさらされない限り、凝縮しません。

同じ条件下で、1グラムの蒸気は1グラムの空気よりも大きな体積を占めますか？空気は、水分子とは異なり、上記のガスの混合物であるため、気相では水よりも密度が高くなります。

比容積は密度の逆数であるため、1グラムの蒸気は1グラムの空気よりも多くの容積を占めます（密度は低くなります）。

流体としての蒸気の物理的特性は、多くの産業プロセスで重要です。特に、熱交換器の内部、湿度を上げるため、機械をきれいにするためなどです。

特に流体の力学に関して、産業内で大量の蒸気を処理する際に考慮すべき多くの変数があります。

他のガスと同様に、その密度は（固体や液体とは異なり）圧力と温度に大きく依存します。したがって、その特定のボリュームの値は、これらの変数によって異なります。したがって、集中的なプロパティの観点からシステムを表現するために、その特定のボリュームを決定する必要があります。

実験値なしでは、分子論により、窒素の密度を他のガスの密度と比較することは困難です。窒素分子は線形（N≡N）であり、水の分子は角張っています。

「ライン」は「ブーメラン」よりも体積が小さいため、密度（m / V）の定義により、窒素は水よりも密度が高いと予想できます。1.2506 Kg / m ^3の密度を使用すると、この値が測定された条件での比体積は0.7996 m ³ / Kgになります。それは単に逆数（1 /ρ）です。

理想的なガスは次の方程式に従うものです。

P = nRT / V

この方程式は分子構造や体積などの変数を考慮していないことがわかります。また、システムによって定義された空間でガス分子が互いにどのように相互作用するかについても考慮されていません。

限られた範囲の温度と圧力では、すべてのガスが同じように「動作」します。このため、理想的なガス方程式に従うと仮定することはある程度有効です。したがって、この方程式から、比体積を含むガスのいくつかの特性を決定できます。

それを解決するには、方程式を密度変数（質量と体積）で表現する必要があります。モルはnで表され、これらはガスの質量をその分子質量（m / M）で除算した結果です。

方程式で可変質量mを取り、それを体積で割ると密度が得られます。ここから、密度をクリアして、方程式の両側を「反転」するだけで十分です。これにより、最終的に比容積が決定されます。

下の画像は、理想的なガスの比容積の最終的な表現に到達するための各ステップを示しています。