温度とエントロピー

② エネルギーと生活－動力と電力－

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
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。

© 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 )}

力学エネルギーは 機器分析 センサー 物性 などと関係します。

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。

💪 力学 （ p V） 髙橋

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
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。

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 2 ) 3 )		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 4 ) ・ 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 5 ) 、冷蔵庫）・冷凍機
	リンデサイクル 6 )		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 ^{7 )} 。 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。

• 内燃機関・・・給熱、放熱過程がピストン・シリンダ機構の内側

  航空機 効率化のために燃料にアンチノック剤などを添加

• 外燃機関・・・給熱、放熱過程がピストン・シリンダ機構の外側

  蒸気機関車 原子力発電 バイオマス燃料などが使える。

• 完全気体サイクル・・・作動流体が相変化（液体⇔気体）しない
• 実在流体サイクル・・・作動流体が相変化（液体⇔気体）する

• オープンサイクル・・・作動流体を排気ガスとして環境中に放出

  運転時の環境への懸念

• クローズドサイクル・・・作動流体を機構の内側で繰り返し使用

  廃棄時の環境への懸念

動力

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 （ G ） ⚖️	⊿G=⊿H-T⊿S	化学ポテンシャル	物質量〔mol〕	アボガドロ数 NA
🔥 熱（ R T, kB T, ）	🖱 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 （ p V） ⚖️  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（ n F E , e Φ）	🖱 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（ h ν）	E=hν	振動数 ν 〔Hz〕			プランク定数 h 〔J・s〕
☢ 原子力 （m c2）

エネルギーは、工業の 原料であり、貴重な 資源です。

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。 気体の状態方程式 は、熱エネルギーと運動エネルギーの保存を表しています。

$pV=nRT$

しかし、効率は１００％にはなりません。 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 👨‍🏫 電気エネルギー ⚖️ 電気エネルギー E〔J〕

	🧪 化学	⚡ 電力	💪 力学	🌟 光	🔥 熱
🧪 化学 （ G ）	化学反応 状態変化	👨‍🏫 🚂 電池 ｐＨセンサー 8 ) 二酸化炭素センサー 湿度センサー	👨‍🏫 鉄砲 （ 火薬）	👨‍🏫 化学発光	👨‍🏫 燃焼 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 9 ) 🔊スピーカー	◇ ＬＥＤ	👨‍🏫 ヒーター 電気炉 Q=I2R
💪 力学 （ p V）	◇ 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 10 ) pV=nRT
🌟 光（ h ν）	◇ 光合成 銀塩写真 フォトレジスト	👨‍🏫 太陽電池 イメージセンサー		◇ 蛍光材料	👨‍🏫 色素材料 ｐＨ指示薬 👨‍🏫 電子レンジ
🔥 熱（ R T, kB T, ）	◇ 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）

エネルギーは、 物質の 物性や、物質の 界面の特性を利用して 変換できます。

👨‍🏫 化学工業とエネルギー変換 👨‍🏫 エネルギー変換 👨‍🏫 物質資源とエネルギー資源

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 ni
⚖️ 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、液位を液位計で 計測 します。
熱量 q
比熱容量 CV	$C_V=\frac{\delta q}{dT}={\left(\frac{\partial E}{\partial T}\right)}_V$
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	$G=H-TS$ $G=G\left(T,p,\mathrm{ni}\right)$

熱力学は、 平衡論です。

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。