断熱膨張は、気体が、外との熱の出入りがない状態で広がることです。広がるときに外へ仕事をした分だけ気体の内部エネルギーが減り、温度が下がります。このページでは、温度が下がる理由、計算のしかた、よく混同される「絞り膨張（ジュール・トムソン効果）」との違い、雲やフェーン現象、空気圧の機器の凍結、空気を使った冷凍機など、ものづくりで出てくる場面を順に説明します。逆の変化は基礎知識：断熱圧縮で説明しています。
断熱膨張とは：ひとことで言うと
断熱膨張（だんねつぼうちょう）
外から熱が入らないまま気体が広がり、ピストンなどを押して仕事をすると、気体の温度が下がるという変化です。逆に、熱の出入りなしで気体を押し縮めると温度が上がり、これを断熱圧縮といいます。
出典：コトバンク「断熱変化」をもとに AI（Claude）で作成
「断熱」は、断熱材を巻いてあるという意味に限りません。熱力学では、外部との熱の出入りなしに起きる状態の変化を断熱変化と呼びます。百科事典マイペディアは、断熱膨張では気体が外部にした仕事の分だけ内部エネルギーが減って温度が下がる、と説明しています。ふつうの機械でも、膨張がとても速ければ、外から熱が入る時間がほとんどないので、断熱に近い変化になります。
気体以外では逆になることもある
世界大百科事典は、ゴムのように熱膨張率が負の物質では、断熱的に引き伸ばすと温度が上がるとしています。このページで扱うのは、気体の断熱膨張です。
出典：断熱変化｜コトバンク（デジタル大辞泉・百科事典マイペディア・改訂新版 世界大百科事典・日本大百科全書ほか）
なぜ温度が下がるのか：等温膨張との違い
出典：コトバンク「断熱変化」をもとに AI（Claude）で作成
気体がピストンを押し出すと、気体は外へ仕事をして、そのぶんエネルギーを失います。理想気体では、内部エネルギーは温度だけで決まるので、内部エネルギーが減ると温度が下がります。断熱膨張では外から熱が補われないので、した仕事の分だけ内部エネルギーが減り、温度が下がります。
熱力学の第一法則で書くと、内部エネルギーの増加 ΔU は、もらった熱 Q と受けた仕事 W の和です（ΔU = Q + W）。断熱では Q = 0 で、膨張では気体が外へ仕事をする（W がマイナスになる）ので、ΔU もマイナス、つまり温度が下がります。
| 等温膨張 | 断熱膨張 | |
|---|---|---|
| 外との熱の出入り | した仕事の分の熱が外から入る | なし |
| 気体の温度 | 変わらない | 下がる |
| 圧力と体積の関係 | PV = 一定 | PVγ = 一定 |
| 近い状況 | ゆっくり膨張する、よく温める | 速く膨張する |
等温膨張と断熱膨張は、どちらも考えやすくした理想の変化です。実際の機械の膨張は、この2つのあいだになります。
出典：断熱変化｜コトバンク（デジタル大辞泉・百科事典マイペディア・改訂新版 世界大百科事典・日本大百科全書ほか）
断熱膨張の式と計算例
気体を理想気体と考えると、断熱変化では PVγ = 一定、TVγ−1 = 一定（ポアソンの式）が成り立ちます。γ（ガンマ）は比熱比で、定圧比熱を定容比熱で割った値です。空気の比熱比は約 1.4 です。
| 求めるもの | 式 |
|---|---|
| 圧力と体積 | P1V1γ = P2V2γ |
| 温度と体積 | T1V1γ−1 = T2V2γ−1 |
| 温度と圧力 | T2 = T1 ×（P2 ÷ P1）(γ−1)/γ |
式は断熱圧縮と同じで、膨張では P2 が P1 より小さいので、温度が下がる向きに働きます。温度 T はセ氏（℃）ではなく絶対温度（K）で、圧力 P はゲージ圧ではなく絶対圧で入れます。世界大百科事典は、乾燥空気の (γ−1)/γ を約 0.286 としています。
出典：断熱変化｜コトバンク（デジタル大辞泉・百科事典マイペディア・改訂新版 世界大百科事典・日本大百科全書ほか）
計算例：工場の圧縮空気（0.7 MPa）を大気圧まで膨張させる
出典：コトバンク「断熱変化」をもとに AI（Claude）で作成
ゲージ圧 0.7 MPa の圧縮空気は、絶対圧では約 0.8 MPa です。20℃ のこの空気が、外へ仕事をしながら大気圧（0.1013 MPa）まで断熱膨張したとすると、T2 = 293.15 ×（0.1013 ÷ 0.8）0.2857 ≒ 162 K で、セ氏にすると約 −111℃ になります。
これは、熱がまったく入らず、膨張のエネルギーをすべて仕事として取り出せたときの理想の値です。実際の機械では、摩擦や熱の出入りがあるので、ここまでは下がりません。それでも、圧縮空気を膨張させると大きく冷えうることがわかります。
出典：コトバンク「断熱変化」をもとに AI（Claude）で作成
| 膨張後の圧力（はじめを 1 とした比） | 膨張後の温度（計算値） |
|---|---|
| 1/2 | 約 −33℃ |
| 1/4 | 約 −76℃ |
| 1/8 | 約 −111℃ |
| 1/10 | 約 −121℃ |
はじめの温度を 20℃、γ = 1.4 とし、熱の出入りがない理想気体として計算した値です。
断熱膨張と絞り膨張（ジュール・トムソン効果）の違い
出典：コトバンク「断熱変化」、コトバンク「ジュール＝トムソン効果」をもとに AI（Claude）で作成
気体が高い圧力から低い圧力へ移る「膨張」には、2つのタイプがあります。1つはこのページの断熱膨張で、ピストンや羽根車を押して外へ仕事をしながら広がります。もう1つは、弁や細い穴を通って圧力が下がるだけの膨張で、絞り膨張といいます。絞り膨張で温度が変わる現象を、ジュール・トムソン効果と呼びます。
理想気体では、絞り膨張で温度は変わりません。温度が変わるのは実在の気体だけです。物理の上では、外へ仕事をする断熱膨張のほうが温度は大きく下がります（この比べ方は編集部の説明です）。百科事典マイペディアは、水素以外の気体は常温・常圧で温度が下がるとしています。化学辞典は、水素とヘリウムは室温では逆に温度が上がり、十分に低い温度にすると下がるとしています（この境目の温度を逆転温度といいます）。
| 断熱膨張（仕事をする） | 絞り膨張（ジュール・トムソン効果） | |
|---|---|---|
| どう膨張するか | ピストン・羽根車を押して仕事をする | 弁・細い穴を通るだけ |
| 理想気体の温度 | 下がる（この記事の式） | 変わらない |
| 実在の気体の温度 | 大きく下がる | 多くは少し下がる（水素・ヘリウムは常温では上がる） |
エアコンの膨張弁も、冷媒が細い穴を通る絞りです。ただし冷媒は液体が蒸発して温度が下がるので、気体だけの話とは違います。しくみは基礎知識：ヒートポンプで説明しています。
出典：ジュール＝トムソン効果｜コトバンク（世界大百科事典・百科事典マイペディア・化学辞典 第2版ほか）
気体を液体にする：断熱膨張とジュール・トムソン効果
空気などの気体を液体にするには、とても低い温度が必要です。世界大百科事典は、一般に用いられている液化装置はジュール・トムソン効果を利用するとし、代表的な方法として、円筒の中で断熱膨張させて冷やした気体で、次に入ってくる気体を前もって冷やすクロード液化法も挙げています。
出典：液化｜コトバンク（改訂新版 世界大百科事典・日本大百科全書）
自然の中の断熱膨張：雲とフェーン現象
出典：コトバンク「断熱変化」、気象庁「気象の基礎用語」をもとに AI（Claude）で作成
空気が上昇すると、まわりの気圧が下がるので膨張して冷えます。世界大百科事典は、大半の雲は、空気が上昇して膨張し冷やされ、水蒸気が凝結してできたものとしています。乾いた空気が断熱的に上昇すると、100 m ごとに約 1℃ 気温が下がり、これを乾燥断熱減率といいます。
水蒸気で飽和した空気では、水蒸気が水になるときに熱を出すので、冷え方がゆるくなります。これを湿潤断熱減率といい、100 m につき約 0.5℃ です。最新 地学事典は、900 hPa 付近で気温 20℃ のとき 0.4℃、10℃ のとき 0.5℃、0℃ のとき 0.6℃ としています。
出典：断熱変化｜コトバンク（デジタル大辞泉・百科事典マイペディア・改訂新版 世界大百科事典・日本大百科全書ほか）、湿潤断熱減率｜コトバンク（デジタル大辞泉・最新 地学事典ほか）
気象庁は、フェーン現象を、湿った空気が山を越えるときに雨を降らせ、そのあと山を吹き降りて、乾燥し気温が高くなる現象などと説明しています。世界大百科事典は、風下側で起きる乾燥断熱変化が原因としています。上るときは膨張して冷え、下りるときは圧縮されて暖まります。ただし、雨や雪を降らせながら上る間は、熱の出入りがあるので、厳密には断熱ではありません（世界大百科事典は偽断熱変化と呼んでいます）。
出典：断熱変化｜コトバンク（デジタル大辞泉・百科事典マイペディア・改訂新版 世界大百科事典・日本大百科全書ほか）、気象の基礎用語（気温、湿度）｜気象庁
ものづくりで断熱膨張が出てくる場面
断熱膨張は、低い温度を作るのに役立つ一方で、思わぬ所が冷えて結露や凍結の原因にもなります。
| 場面 | 起きること | 扱い方 |
|---|---|---|
| 空気圧の機器（エアモーターなど） | 排気口が冷えて霜や氷がつく | 除湿する、空気を温める、排気を遠くへ出す |
| 空気を冷媒にした冷凍機 | 膨張した空気が低温になる | 利用する（−50〜−100℃ を作る製品がある） |
| 気体の液化 | 膨張で気体を冷やす | 利用する |
| エアコン・冷凍機 | 膨張弁のあとで冷媒が低温になる | 利用する（絞りと蒸発による） |
空気圧の機器：排気口の凍結
出典：Graco「Do you have an icing problem?」をもとに AI（Claude）で作成
エアモーターや空気圧の機器では、使い終わった空気が排気口から出ていきます。ポンプなどのメーカーの Graco は、凍結はエアモーター全般に起きる問題で、供給する空気の中の水分が凝縮して凍るのが原因としています。症状として、圧力が乱れる、止まって氷が溶けると再び動く、モーターやマフラーに厚い霜がつく、を挙げています。
空気が機器の中で膨張しながら仕事をすると、上の計算のとおり温度が下がります（この説明は編集部によるものです）。同じ記事は、対策として、圧力を下げる、排気を配管で遠くへ出す、空気を温めるヒーター（危険場所では防爆の仕様が要るとしています）、アフタークーラーや冷凍式・吸着式のドライヤーで水分を減らすことを挙げています。水分の取り除き方は課題：圧縮空気の水分・油を取り除きたいで説明しています。
出典：Do you have an icing problem?（エアモーターの凍結）｜Graco（英語）
空気を冷媒にした冷凍機
出典：この記事の内容をもとに AI（Claude）で作成
空気そのものを冷媒にして、とても低い温度を作る冷凍機があります。前川製作所は、空気を冷媒とする「パスカルエア」をマイナス50℃〜マイナス100℃の超低温を作る冷凍システムとして発表しました。発表の本文は、自然冷媒の空気を冷媒に使い、環境負荷ゼロ・従来比で最大50％の省エネを特長に挙げています。
空気は、ふつうの温度では液体にならないので、エアコンのように蒸発の熱を使うことができません。そこで、圧縮して熱を外へ捨てたあと、仕事をさせながら膨張させて低温を作る、という断熱膨張の考え方が使えます。図は、そのしくみを編集部が描いた模式図で、特定の製品の構成を示したものではありません。
出典：「パスカルエア」の記者発表会を11月26日に開催（2009年11月10日）｜前川製作所（@Press）
断熱圧縮と組み合わせる：エアコン・ヒートポンプ
エアコンや冷凍機は、圧縮で冷媒の温度を上げて熱を捨て、圧力を下げて低温にして熱をもらう、という循環です。圧縮の側の温度上昇は断熱圧縮の例です。圧力を下げる側は、上で説明した絞りと冷媒の蒸発で温度が下がるので、ピストンを押す断熱膨張とは少し違います。くわしくは基礎知識：断熱圧縮と基礎知識：ヒートポンプで説明しています。
断熱膨張の話が出てくるページ
出典
- 断熱変化｜コトバンク（デジタル大辞泉・百科事典マイペディア・改訂新版 世界大百科事典・日本大百科全書ほか）
- ジュール＝トムソン効果｜コトバンク（世界大百科事典・百科事典マイペディア・化学辞典 第2版ほか）
- 液化｜コトバンク（改訂新版 世界大百科事典・日本大百科全書）
- 湿潤断熱減率｜コトバンク（デジタル大辞泉・最新 地学事典ほか）
- 気象の基礎用語（気温、湿度）｜気象庁
- Do you have an icing problem?（エアモーターの凍結）｜Graco（英語）
- 「パスカルエア」の記者発表会を11月26日に開催（2009年11月10日）｜前川製作所（@Press）
※図は、出典の説明をもとに編集部がまとめた模式図です。計算の値は、空気を理想気体として編集部が計算したものです。
※アイキャッチ画像は、AI（ChatGPT）で生成したイメージです。実在の製品・装置ではありません。
情報の確認日：2026年11月7日
