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今後の予定 13日目 1月 8日 エレキテル エンジンの効率 口頭報告（２）の答あわせ まとめ 口頭報告課題・追加演習レポート提出 14日目 1月15日 予備テスト （定期テストと同様のテスト） テスト答え合わせ 15日目 1月22日 定期テスト 本日の課題 予備テスト準備 1 なぜ熱の流れはいつも高温→低温なのか？ S univ 0 冊子5.8節 p82 2 なぜ熱の流れはいつも高温→低温なのか？ 高熱源 TH Q 低熱源 TL S univ S H S L Q Q 0 TH TL 3 エンジンの効率に限界はあるか？ S univ 0 冊子5.9節 p83 4 エンジンの効率に限界はあるか？ QH QL 高熱源 エンジン 低熱源 TH TL W 力学的周囲 QL QH W S univ S therm,H S therm,L QH QL 0 = TH TL 5 高熱源 QH QL 低熱源 エンジン TH TL W 力学的周囲 QL QH W 最大効率のエンジンでは．．． S univ QH QL 0 TH TL w QH QL TH TL 効率 QH QH TH 熱源の温度差が大きいほど効率が良くなる． 6 高熱源 QH エンジン TH 低熱源 TL W 力学的周囲 どんなにがんばっても QH W は無理． （第二種永久機関は実現でいない） 7 高熱源 QH エンジン TH 低熱源 TL W 力学的周囲 力学的エネルギーを全て熱エネルギーに変換 するのは可能． 熱はエネルギーの墓場！ 8 スターリングエンジンのしくみ（１） 冷却 加熱 9 スターリングエンジンのしくみ（２） 冷却 加熱 10 スターリングエンジンのしくみ（３） 冷却 加熱 11 スターリングエンジンのしくみ（４） 冷却 加熱 12 スターリングエンジンのしくみ（５） 冷却 加熱 13 スターリングエンジンの特徴 • • • • • 熱効率が良い． 低温度差でも動く． 熱源を選ばない．廃熱利用の可能性． 低騒音，低振動． 排気ガスがクリーン． • 出力が弱い．瞬発力がない． • サイズが大きい． 14 水飲み鳥 永久機関？？ 15 16 口頭報告課題 答え合わせ 17 ＜エンタルピー＞ H E PV エンタルピー変化は吸熱量 H q エネルギー or エンタルピー 吸熱 系のエネルギー変化と吸熱 18 ＜エントロピー＞ S k lnW エントロピーは乱雑さの指標 分子レベルでどちらが乱雑か考えよ！ S H / T の場合のみ． G 0 G H TS が成り立つのは 19 ＜自由エネルギー＞ G H TS Gが負なら変化が自発的に進行 （Gが正なら逆変化が自発的に進行） G H TS 反応進行の要因 ・H が負（発熱する） ・S が正（乱雑になる） 20 固体の水への溶解熱 食塩の水への溶解は吸熱変化だが、塩化カルシウム の溶解は発熱変化である。 結晶を壊すのは必ず吸熱だが，水和は発熱である． 両者の兼ね合いで溶解熱の符合が決まる． ＋ ― ― ＋ ― ＋ ― ＋ ― ＋ ＋ ― ＋ ― ＋ ― ＋ ― ― ＋ ― ＋ ― ＋ ― P13 図１－１６ 21 ＋ G G H TS 気体 凝縮 液体 蒸発 融点 T 22 力学的周囲 Emech w 系 系 q E 熱的周囲 E P Eel w PV q H H E PV K, trans 3 k BT 2 Euniv = 0 定圧過程では E E K Etherm 宇宙 T により 変化 （Tに比例） 分子集合 状態に より変化 化学反応 により 変化 23 混合 p74 図５－６ G H TS 24 触媒 活性化エネルギーが高すぎて 熱力学的な再安定状態が実 現しないことがある． 触媒は活性化エネルギーを 変化させる． 始状態 終状態 始状態と終状態は変わらない． 25 砂糖を加熱すると，どうなるか？ 加熱したものを冷やすと，どうなるか？ ガラス G G H TS × 過冷却液体 結晶 液体 融点 p109 図6－5 T 26 様々なエネルギーの値の比較 （ｐ６３） •共有結合： 約500 kJ/mol → Eel 水素の燃焼熱： 約500 kJ/mol •水素結合： 約20 kJ/mol → Ep 水の蒸発エンタルピー： 40 kJ/mol •ファンデルワールス力： 約1 kJ/mol → Ep アルゴンの蒸発エンタルピー： 6.5 kJ/mol •PV仕事（300 K，1 atmで1 molの気体発生）： 2.4 kJ/mol •分子運動のエネルギー（300 K，RTの値）： 2.4 kJ/mol 多くの場合 H E PV E 27 力学的周囲 Emech w 系 系 q E 熱的周囲 E P Eel w PV q H H E PV K, trans 3 k BT 2 Euniv = 0 定圧過程では E E K Etherm 宇宙 T により 変化 （Tに比例） 分子集合 状態に より変化 化学反応 により 変化 28 G G H TS 気体 凝縮 液体 蒸発 融点 T 29 まとめ 30 化学変化の進む方向はどのようにして決まるのか？ 定温・定圧過程では， 系の自由エネルギーが減少する方向に変化が進む． （自由エネルギー減少の法則） G H TS H E PV エンタルピー変化は吸熱量 H q エントロピーは乱雑さの指標 31 力学的周囲 Emech w 系 系 q E 熱的周囲 E P Eel E q w w PV q H H E PV K, trans 3 k BT 2 Euniv = 0 定圧過程では E E K Etherm 宇宙 T により 変化 （Tに比例） 分子集合 状態に より変化 化学反応 により 変化 32 重り ＝ 力学的周囲 宇宙 （熱力学的世界） ＝ 系 ＋熱的周囲 ＋力学的周囲 系 系＝現在注目している部分 恒温槽 ＝ 熱的周囲 P59 図４－３ 33 力学的周囲 Emech w 系 系 q E 熱的周囲 E P Eel E q w w PV q H H E PV K, trans 3 k BT 2 Euniv = 0 定圧過程では E E K Etherm 宇宙 T により 変化 （Tに比例） 分子集合 状態に より変化 化学反応 により 変化 34 分子の運動エネルギー 加熱 E EK EP Eel P38 図３－１ 35 分子間ポテンシャルエネルギー E EK EP Eel P39 図３－２ 36 ポテンシャルエネルギーと力の関係 落下・上昇にともなう重力ポテンシャルエネルギー変化 力に従って落下 → EP減少 力に逆らって上昇 → EP増加 重力 力が大きいほどEP の 増減は大きくなる． P32 図２－５ 37 分子間距離とポテンシャルエネルギー EP 固体・液体 気体 0 r 理想気体ならEp=0． dE P F dr 38 電子エネルギー E EK EP Eel 結合状態の水素分子 解離状態の水素分子 P40 図３－３・４ 39 H H エネルギー 発熱 H－H 結合エネルギーと発熱 P41 図３－５ 40