圧力と体積

🚧
制御と結果
🌡温度T/K:
体積 V/m3 0
圧力 p /Pa 0
0
02.エネルギーと生活-動力と電力-
ガス

圧力と体積の関係

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🖱 体積と圧力の関係
©2021 K.Tachibana * , C1 Lab.
ボイルの法則:圧力と体積は反比例:pV=一定
シャルルの法則:体積は温度に比例:V/T=一定
ボイル・シャルルの法則:pV/T=一定
p V = n R T
気体の状態方程式
気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT

熱機関は、 熱エネルギー(温度差)と運動エネルギー(動力)との エネルギー変換 をします。


pV線図(カルノーサイクル)

  2 pV線図の例(カルノーサイクル)
© 2024 K.Tachibana * , C1 Lab.

1824 年S.Carnotが「火の動力に関する考察」を発表しました。 1 )

👨‍🏫 19世紀 髙橋

圧力計

  1 圧力計
大分類 小分類 特徴用途
液柱式 U字管マノメーター
傾斜管マノメーター
弾性式 ブルドン管圧力計
ベローズ圧力計
ダイヤフラム圧力計
電気式 抵抗線ひずみ計

圧力 は、物質の 状態や反応速度、化学平衡と関係します 2 ) オートメーションで計測されます。

ボイラーでは、高温・高圧の蒸気を作り出します。

p V = n R T
気体の状態方程式

温度圧力流量液位 ( 液面)、 組成 (成分、濃度) は、プロセス変量(プロセス変数)と呼ばれます 3 ) 。 プロセス変量を計測したり、目標値を設定して、 制御したりします。 PID制御などが使われます。


流体の機械エネルギー

  2 流体の機械エネルギー
エネルギー 流体m〔kg〕あたり 流体1kgあたり
運動エネルギー m u_2 2 〔J〕 u_2 2 〔J/kg〕
位置エネルギー mgZ〔J〕 gZ〔J/kg〕
圧力エネルギー m p ρ p V 〔J〕 p ρ 〔J/kg〕
m:質量 u_: 平均流速 ρ密度

流体を 輸送するには、流体輸送機( ポンプや送風機)で、配管内を流れる流体にエネルギーを供給します。

👨‍🏫 数式の表現、量の表現

温度とエントロピーの関係

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🖱 温度とエントロピーの関係
©2024 K.Tachibana * , C1 Lab.
ボイルの法則:圧力と体積は反比例:pV=一定
シャルルの法則:体積は温度に比例:V/T=一定
ボイル・シャルルの法則:pV/T=一定
p V = n R T
気体の状態方程式
気体の状態方程式:pV=nRT
pV=m/MRT

熱機関は、 熱エネルギー(温度差)と運動エネルギー(動力)との エネルギー変換 をします。

S = k B ln W
ボルツマンの式

エネルギーの変換

  3  エネルギーの変換
🧪 化学 電力 💪 動力 🌟 🔥
🧪 化学 化学反応 👨‍🏫
pHセンサー 4 )
二酸化炭素センサー
湿度センサー
◇ 鉄砲 ( 火薬 👨‍🏫 化学発光 👨‍🏫 バーナー ◇ 暖炉 ◇ 燃料
電力
eV, FE
蓄電池 電解 変電、 インバータ 👨‍🏫 モーター 5 )
🔊スピーカー
◇ LED 👨‍🏫 ヒーター 電気炉
Q=I2R
💪動力
pV
高圧合成 👨‍🏫 発電機
🎤マイク
リンク、カム ◇応力発光 👨‍🏫 ヒートポンプ
🚂 エアコン 6 )
pV=nRT
🌟
光合成 銀塩写真 👨‍🏫 太陽電池
イメージセンサー
◇蛍光 👨‍🏫 電子レンジ
🔥
RT
◇ 加熱合成 👨‍🏫 熱電変換 温度センサー 👨‍🏫 🚂 熱機関
pV=nRT
白熱電球
黒体放射

仕事と熱

  4 仕事と熱
仕事
エネルギー エンタルピー エントロピー
流動 慣性力 粘性力
物質移動 泳動 拡散
固体・ 粉体 慣性力 摩擦力
レイノルズ数
Re=Duρ/μ=ρv2/(vμ/D)
ρv2:慣性力(弾性)
vμ/D:粘性力

アリはなぜ泳げないか?

7 )


  5 0.  29  エネルギーの種類
kWhJ 関係式 示強性変数 示量性変数 物質量あたり
マクロ
粒子あたり
ミクロ
🧪 化学エネルギーG G=⊿H-TS 化学ポテンシャル 物質量〔mol アボガドロ数
NA
🔥 熱エネルギー 🖱
Q= TS
RT
温度 T 〔Kエントロピー S 〔J/K気体定数 R 〔J/K・mol ボルツマン定数  kB 〔J/K
💪 力学的エネルギー  E 🖱 W= pV 圧力 p 〔Pa 体積 V 〔m3理想気体のモル体積 x 〔L/mol
電気エネルギー E 🖱
E=VQ
E=nFE
電圧 V 〔V 電気量 Q 〔C ファラデー定数 F 〔C/mol 電気素量 e 〔C
🌟 光エネルギー E E=hν 振動数 ν 〔Hzプランク定数 h 〔J・s

エネルギーは、相互に エネルギー変換できます。 エネルギーは保存則でなくなりませんが、有効な仕事として利用できるエネルギー(エクセルギー)の割合は減っていき、廃熱(アネルギー)の割合が増えていきます。 その意味で、熱エネルギーはエネルギーの廃棄物と言えます。

状態量

熱力学的状態量

  6 熱力学的状態量
物理量 / 単位 説明 応用例
質量 m 天秤計測 します。
物質量 n 物質量を直接計測するのは困難なので、 固体や液体は、質量を 計測 し、式量から換算します。 液体や気体は、体積を計測 します。
分率 ni
⚖️ 圧力 p,P 圧力計計測 します。
温度 T 温度計計測 します。
体積 V 液体は、液位を 計測 します。
熱量 q
比熱容量 CV CV= δq dT = ( E T ) V
エンタルピー H H=E+pV
エネルギー E,U
エントロピー S
⚖️ ギブス自由エネルギー G
G=H-TS
G= G T ,p ,ni

熱力学では、物質と 性質を関連させます。 状態量は、性質状態数量的な表現です。

p V = n R T
気体の状態方程式

動力

  7 動力
分類 エネルギー源 応用例
人力 ~50W
👨‍🏫 1馬力= 0.746kW 👨‍🏫 鎌倉時代 に戦力に
水車
蒸気機関
ガソリンエンジン ガソリン 100馬力 🚗 自動車
モーター
1831 モーターを発明。

動力〔W〕とエネルギー〔Wh〕は、絶対に間違わないようにしましょう。

流体輸送に必要な軸動力は、理論動力に摩擦などで消費される動力を加えたものです 8 )


動力の歴史

  8 動力の 歴史
西暦年 出来事
水車
室町時代 朝鮮使節が日本の水車の驚く
江戸時代 日本で水車が普及 精米・小麦・蕎麦の製粉
1891 琵琶湖疎水 ペルトン水車で発電
1776 ワット蒸気機関(外燃機関)の発明 *
1816 スターリングサイクル(外燃機関)
1823 電磁石の発明
1824 カルノーサイクル
1831 電磁誘導の発見
1831 発電機の発明
1831 モーターを発明。
1872 ブレイトンサイクル
1877 オットーサイクル
1897 ディーゼルサイクル

動力の水車は、紀元前2世紀ごろに小アジアで発明されたらしい。 以来、再生可能エネルギーの動力として、あるときは製粉、あるときは揚水と使われてきた。 日本では、急勾配の川が多いため、江戸時代にはかなり普及した。 石炭を使う外燃機関の蒸気機関、石油を使う内燃機関のガソリンエンジンやディーゼルエンジン、 そして電気を使うモーターと動力は変遷した。 しかし、二酸化炭素抑制排出で、化石燃料はもう使えない。 水力がマイクロ水力発電などで注目されているが、日本では水利権などの課題があり、なかなか普及しない。


参考文献


QRコード
https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/Public/52255/_02/PressureVolume.asp
名称: 教育用公開ウェブサービス
URL: 🔗 https://edu.yz.yamagata-u.ac.jp/
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