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エンタルピー と聞くと何を思い浮かべますか? 物体の持つエネルギー量・・・ エントロピーとは全く別の概念・・・ 難しい数式で表されて良くわからないもの・・・ そんなイメージを持っている人も多いのではないかと思います。 確かに熱力学の教科書を読むと最初の方に何やらよくわからない数式とエンタルピーが一緒に出てきて頭が混乱してきます。でも、実際には エンタルピーは工業系の実務で使えるとても便利な考え方 なのです。 今回はそんな エンタルピーがどんな場面で利用されているのか についてイラストや動画を交えながら解説してみたいと思います。 こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。 エンタルピーとは? エンタルピーは物体が持つエネルギーの総量で 単位はkJ(キロジュール)やkcal(キロカロリー) です。また、単位質量当たりの物体の持つエネルギーは 比エンタルピー と呼ばれkJ/kgで表されます。工業分野では後者の 比エンタルピー が良く利用されます。 エントロピー とは名前が似ているので混同しがちですが、まったく別の考え方になります。 エンタルピーの語源は ギリシア語のエンタルポー(温まる) だと言われています。 物体の持つエネルギーと聞くと、温度に大きく関係してくるというイメージですが、 エンタルピーは温度だけではなく 圧力や体積のエネルギーも含んでいます。 このような考え方から温度によって膨張、収縮する気体には2種類の比熱が存在します。 【熱力学】定圧比熱と定積比熱、気体の比熱が2種類あるのはなぜ? 目次1. 日本冷凍空調学会. 気体の比熱が2種類ある理由2. 「Cp-Cv=R」が成り立つ理由3.
H=U+pV 内部エネルギーと仕事(圧力×体積)の和をエンタルピーだと決めたわけです。 そして、内部エネルギーは「変化量」が大切だという話をしたように、この式においても変化量Δを考えていきます。 ΔH=ΔU+Δ(pV) もし、いま実験している系が「大気圧下」つまり「定圧変化」だとすると、pは一定になります。 ΔH=ΔU+pΔV・・・① ここで、もういちど内部エネルギーの式をみてみます。 ΔU=Q-pΔV ⇒Q=ΔU+pΔV・・・② ①と②をくらべてみると、ΔH=Qとなりますよね! ここが重要な結論になります。 定圧下 (大気圧下でふつ~に実験すると)では、 「系に出入りする「熱Q」はエンタルピー変化と同じになる」 ということなのです。 これを絶対に忘れないようにしておきましょう! まとめ 内部エネルギーは変化量が重要である。その変化量は、加えられた(放出した)熱と仕事で決まる。 ΔU=Q+W 定圧変化(大気圧下)ではW=pΔVとなり、体積変化の符号を考えると ΔU=Q-pΔV・・・①とかける。 エンタルピーをHとして、H=U+pV と定義する。 定圧変化では、その変化量は次のようになる。 ΔH=ΔU+pΔV・・・② ①と②を比較すると、ΔH=Qとなりエンタルピー変化は反応で出入りする熱量Qと同じになる。
燃料のエンタルピー 燃料にはそれぞれ 単位質量当たりの熱量 が決められています。これを 低位発熱量や高位発熱量 と呼びます。 【燃料】高位発熱量と低位発熱量の違いとは 目次高位発熱量と低位発熱量の違い低位発熱量を用いてボイラー効率を計算高位発熱量から低位発熱量を計算す... 続きを見る 燃料を酸素と反応させて燃焼させると熱が発生し、この熱が 蒸気やガスのエンタルピー になります。燃料の熱量を計算する際には 一般的に低位発熱量が利用されます。 燃料のエンタルピーは、蒸気やガス、電気などの単位熱量当たりの価格、熱量単価を計算するときに利用されます。 【熱力学】熱量単価、エネルギー単価の計算方法 目次1. 熱量単価とは?2. 熱量単価の計算方法2-1. 燃料の値段2-2. 燃料の発熱量2-3.... 続きを見る 蒸気のエンタルピー 飽和蒸気の比エンタルピーは 蒸気表 で確認することが出来ます。温度や圧力によって比エンタルピーの値が決まっています。 蒸気のエンタルピーは、 被加熱物を加熱するときに必要な蒸気量を計算するとき や 蒸気タービンなどを用いて発電する際 に利用されます。 タービンの場合は、入り口と出口の蒸気のエンタルピー差のことを 熱落差 と呼びます。 【タービン】タービン効率の考え方、熱落差ってなに? 目次1. タービンとは?2. タービンの熱落差とは?3. タービン効率の考え方3-1. 内部損失3-... 続きを見る また、蒸気は減圧弁などで圧力を調整することで温度を一定に保ちますが、減圧や絞りは 等エンタルピー変化 と呼ばれ、乾き度などを計算する際にもエンタルピーは利用されます。 【蒸気】減圧すると乾き度が上がる?過熱になる? 目次1. 蒸気を減圧するとどうなる?1-1. 減圧する蒸気が湿り蒸気の場合1-2. 減圧する蒸気が乾... 内部エネルギーとエンタルピーをわかりやすく解説！. 続きを見る 空気のエンタルピー 空気のエンタルピーは湿り空気線図などで利用されます。 湿り空気線図は、 ある温度の空気が保有することができる水分量 を表しており除湿、乾燥などについて考える際に利用されます。 湿り空気線図(しめりくうきせんず、Psychrometric Chart)とは線図上に、乾球/湿球温度/露点温度、絶対/相対湿度、エンタルピーなどを記入し、その中から2つの値を求めることにより、湿り空気の状態が分かるようにした線図のことである。 空気線図、湿度線図とも言う。 湿り空気線図といえば、主に「湿り空気h -x 線図」の事を指すのが一般的になっている。空気の状態や熱的変化知るのために、主に用いられる。(Wikipedia 「湿り空気線図」 ) 温水のエンタルピー 水の温水のエンタルピーは温度によって変わります。水も若干の体積変化がありますが、微量なので比熱一定で考えることが多いです。 例えば、比熱4.
今回のテーマは「内部エネルギー」です! すっごいコアな内容ですね。でも「物理化学が分からない!」って人は、だいたいがここでつまづいているはずです。 すごく厳密な話をはじめから理解するよりも、定義を知って、それが使えるようになることがまずは重要です。 皆さんはスマホのしくみを知る前に、立派に使いこなしてスマホでゲームをやっていますよね? 勉強も同じです!まずはなんとなくイメージをして、使っていくうちに深く理解できることもあるのです。 分かるところまで頑張って取り組んでみて、実際に問題を解いて実践してみてください。 今回は、最終的にエンタルピーの定義まで繋げていきますので、ご興味のある方はご覧ください! まずは「系」をイメージする! まず、物理学では、どんな状況でも「系(けい)」というものをイメージして、物事を考えないといけません。 簡単にいうと、系というのは「気体の入った箱」みたいなもので、その中で物質のなんらかの変化を観測していきます。 その箱以外のまわりの世界を「外界」とよび、箱そのものを「境界(系と外界を隔てるもの)」っていいます。 そして、「外部から熱を加える」とか「外部から仕事(力)を加える」というのは、文字通り「系の外側」からエネルギーを与えるということです。 で、ですね。「系」には大きく分けて4つあるので、ちゃんとイメージできるようにしておきましょう! これが分からないと、物理化学はなんのこっちゃ? ?になってしまうので、超基本になります。 開いた系(開放系) 境界を通して、物質およびエネルギー両方が移動できる 孤立系 文字通り、外界と何の交流もできない系。物質もエネルギーもどちらも移動できない。 閉鎖系 物質の交換はできないが、エネルギーは交換可能。 物質が出入りしないため、物質の質量は一定に保たれている。 断熱系 閉鎖系の一部とも考えられるが、エネルギーのうち熱の交換ができない系。 熱以外のエネルギー、例えば仕事などの交換は可能。 以上、この4つの系がありますので、それぞれの特徴はイメージできるようにしておきましょう! 内部エネルギーとは? それでは、本題の内部エネルギーに入っていきましょう。 早速ですが、「系」という言葉を使っていきます。ここでは、閉鎖系をイメージしてもらえばいいかと思います。 それでは、ズバリ結論から。 内部エネルギーとは「その系の中にある全体のエネルギー」です。 具体的にどんなものがあるかというと、まずは分子の運動エネルギーです。気体をイメージしてもらえばよいのですが、1つ1つの分子は、常に動き回っていて、壁にぶつかっていますよね?
【大学物理】熱力学入門③(エンタルピー) - YouTube
19kJ/kgKとすると、1kg、80℃の温水のエンタルピーは次の式で表されます。 $$1[kg]×4. 19[kJ/kgK]×(353-273)[K]=335[kJ]$$ 水の膨張についてはこちらの記事をご覧ください。 【膨張タンク】設置が必要な理由と選定方法について 目次1. 膨張タンクとは?2. 膨張タンクを設置しなければどうなる?3. 膨張タンクの種類3-1.... 続きを見る エンタルピーと内部エネルギーの違い エンタルピーと内部エネルギーはどちらも物体のエネルギーを表す指標で、単位が同じなので同じものだと勘違いしてしまうことも多いのではないでしょうか? 式を交えて、 エンタルピーと内部エネルギーの違い について考えてみましょう。 まず、エンタルピーと内部エネルギーの違いは 仕事を含むか含まないか です。 仕事を含まないほうが内部エネルギー で 仕事を含むほうがエンタルピー です。 もう一度内部エネルギーの式を見てみます。 $$H[J/kg]=U[J/kg]+P[Pa]・V[m3]$$ H:エンタルピー[J]、U:内部エネルギー[J]、P:圧力[Pa]、V:体積[m3] PV=W(仕事)とすると $$H[J/kg]=U[J/kg]+W[J/kg]$$ 内部エネルギーは熱に関するエネルギー で エンタルピーは熱と仕事両方を足し合わせたもの ということになります。 例えば、空気の入った風船に熱を与えると、中の空気の温度が上昇すると同時に膨張して膨らみます。 この時、 膨らむための仕事を含んだものがエンタルピー、温度上昇のみのエネルギーが内部エネルギー というイメージです。 エンタルピーと内部エネルギーの計算例 ネット上に内部エネルギーとエンタルピーの違いについてわかりやすい問題があったので解いてみたいと思います。 標準状態において、100℃の水が蒸発して100℃の蒸気になるときの内部エネルギーとエンタルピーの変化量を求めなさい。 水の比体積:0. 001m3/kg、蒸気の比体積:1. 694m3/kg、蒸発潜熱:2257kJ/kg これを解くと次のようになります。 解答 潜熱は 水が蒸気に変化するために必要なエンタルピー を表しています。 よって $$ΔH=2257[kJ/kg]$$ 次に内部エネルギーを表す式は、 $$ΔU=ΔH-PΔV$$ $$ΔV=1. 694-0.
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