熱力学 2020. 07. 17 2020. 10 エンタルピーについて高校物理の範囲で考えてみました。 熱力学に、 エンタルピー $H$ という物理量があります。 言葉の響きがエントロピーと似ていますが、 全くの別概念です。 エンタルピーは、内部エネルギー $U$、圧力 $P$、体積 $V$ とすると、 $$H=U+PV$$ と示されます。 さて、このエンタルピーとやらは何を示しているのでしょうか?
【大学物理】熱力学入門③(エンタルピー) - YouTube
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! エンタルピーについて｜エンタルピーと空気線図について. 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?
(1)比エンタルピーと、エンタルピーの違い 1kgの冷媒(物質)が持っているエンタルピーを比エンタルピーと言います。 比エンタルピーの単位は(kJ/kg)で、エンタルピーの単位は(kJ)です。 比体積(m3/kg)と体積(m3)との関係を思いだせばすぐ解りますね。 比エントロピーも同様です。 分りきったこととして、「比」を取ってしまうことも多いので注意してください。 (2)熱量とエンタルピーの違い 熱量とはある物質から外部へ放出した(または外部から取込んだ)熱エネルギーのことです。 エンタルピーはある物質が持っているエネルギー(熱+圧力Energy)です。 ある物質のエンタルピーが変化すると、その分だけ外部と熱や動力を出し入れします。 (これが熱力学の第1法則です。エネルギー保存の法則とも言います) 例えば、水1kgの温度が1℃下がるのは、4. 186kJの熱量で冷却されたからです。 (4. 高校物理でエンタルピー | Koko物理 高校物理. 186は水の比熱と言い、単位はkJ/(kg・K)です。昔の単位で1 kcal/kg℃) (3)状態量とエネルギーの関係 圧力、温度、体積のようにある物質の状態を表すものを状態量と言います。 この他にエンタルピー、エントロピー、内部エネルギーなど色々な状態量があります。 状態変化によって発生するもの、例えば熱量、動力、仕事 等は状態量ではありません。 これらは物質が外部と出し入れするエネルギーです(外部エネルギーとも言います)。 (2)の例で、4. 186kJの熱量は外部エネルギーです。 一方、1℃当り4. 186kJ/kgだけ比エンタルピー(or内部エネルギー)が高いと言えば、 状態量としての記述です。 (4)エントロピー 熱は高温から低温の物質に流れ、逆には流れません。 (熱力学の第2法則) (エントロピーは熱力学第2法則から導かれ、ds=dq/Tで示される状態量です。) エントロピーとは、ある変化が可逆変化とどの程度違うかを示すものです。 可逆変化とは、外部とのエネルギーの出入りが逆転すると元に戻る変化です。 例えば、断熱圧縮のコンプレッサーを冷媒で駆動すると原理的には断熱膨張エンジンになります。 この様なものが可逆変化です。可逆変化ならばエントロピーは変化しません。 なお、断熱変化は必ずしも可逆変化ではありません。 冷凍サイクルでエントロピーを意識するのは圧縮工程です。 理想の圧縮工程では、冷媒とシリンダとの間に熱の出入りの無い断熱圧縮をし、 エントロピー変化もゼロです。だからP-h線図ではエントロピー線に沿ってコンプレッサーを書きます。 (注意) 膨張弁は断熱変化ですが可逆変化ではありません。 物質は高圧から低圧に流れ、逆には流れない からです。・・・これも第2法則の別表現 膨張、蒸発の行程は全て不可逆変化で、エントロピーは増加します。
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。
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