温度とエントロピー

向き	熱サイクルの種類	性質や特色	応用例

温度差 ⇒ 力学	カルノーサイクル ^1 ) ^2 )		理論・受験（完全気体を仮定するので、計算が容易）
	オットーサイクル	火花点火式式容積型内燃機関（燃料＝ガソリン、プロパン、水素）（作動流体＝排気ガス＝二酸化炭素、水）	自動車（ガソリンエンジン）タクシー（プロパンガスエンジン）、水素自動車（水素エンジン）
	ディーゼルサイクル	圧縮着火式容積型内燃機関（燃料＝軽油）（作動流体＝排気ガス＝二酸化炭素、水）	バス・船（ディーゼルエンジン）
	ランキンサイクル	実在流体サイクル（流体＝水、冷媒）	蒸気機関・火力発電 ^3 ) ・原子力発電
	ブレイトンサイクル	オープンサイクル：燃料＝（灯油、軽油、化石燃料）クローズドサイクル：作動流体＝（ヘリウム）	火力発電、複合発電（タービンエンジン）・ジェット機（ジェットエンジン） *
	アトキンソンサイクル
	クラウドサイクル
	スターリングサイクル	外燃機関
力学 ⇒ 温度差	逆ランキンサイクル	作動流体：冷媒（有機流体）	ヒートポンプ * （ 🚂 エアコン ^4 ) 、冷蔵庫）・冷凍機
力学 ⇒ 温度差	リンデサイクル ^5 )		液化、酸素の製造

熱サイクルにはいろいろな種類があります ^6

) 。エアコンや冷蔵庫の作動流体である冷媒は、温室効果ガスになります。

p V = n R T

表 2 . 0. 29 エネルギーの種類

kWh、 J	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`-`T`⊿`S`	化学ポテンシャル	物質量〔mol〕	アボガドロ数 `N`_A
🔥 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 `k_B` 〔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（ `nFE`, `eΦ`）	🖱 `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。

エネルギーの変換

熱力学的状態量

表 4 . 熱力学的状態量

物理量 / 単位	説明	応用例

質量 `m`	天秤で計測します。
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 `n`_i
⚖️ 圧力 `p`,`P`	圧力計で計測します。
温度 `T`	温度計で計測します。
体積 `V`	液体は、液位を計測します。
熱量 `q`
比熱容量 `C`_V	$C_{V} = \frac{δ q}{d T} = {(\frac{\partial E}{\partial T})}_{V}$
エンタルピー `H`	$H = E + p V$
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`	$G = H - T S$ $G = G (T, p, ni)$

熱力学では、物質と性質を関連させます。状態量は、性質の状態の数量的な表現です。

p V = n R T