12.熱力・バイオ14.pptx

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きみえすわ
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1 本日の英単語 Thermodynamics 熱力学 Enthalpy エンタルピー Free energy 自由エネルギー Exothermic reaction 発熱反応 Endothermic 吸熱 Exergy エクセルギー

2 11. 地球システムの活動持続条件火力発電所の場合電力を生み出し続けるには 1 高温源 ( 低エントロピー ) Q 1 3 水 Q 2 2 廃熱 ( 高エントロピー ) 電力 1 低エントロピー源 ( 資源 ) の導入 2 エントロピー ( 汚れ ) の除去 3 物質の循環

3 資源低ー食べ物水酸素資源 ( 低エントロピー源 ) の導入生命の活動維持メカニズム物質の循環固形排泄物熱尿汗二酸化炭素汚れ高ー汚れ ( 高エントロピー ) の除去有限の媒体で無限の資源と汚れを運搬

4 地球生命系が活動を持続するための 3 条件 (1) 低エントロピー源 ( 資源 ) の導入低エントロピー & 高エネルギー源 : 太陽光 (2) エントロピー ( 汚れ ) の除去モノの汚れ宇宙への放熱熱の汚れへ (3) 物質循環水と栄養の循環システム人間活動の影響大私たちがなすべき事は自然界の循環を豊かに保ち人類が排出する循環に乗りにくい物質を責任を持って安全な形で地球循環システムに乗せること

5 廃棄物対策の階層性 R がキーワードであーる 1. 減量 (Reduce) 廃棄物の発生を回避しその量を減らすとともに有害性や毒性のある成分をより有害性の低いものに消費者のムダなものは作らせない態度も重要 ( 製品の拒否 :Refuse) 2. 再利用 (Reuse) 形態を変えずに再使用修理 (Repair) も重要な要素 3. 再生利用 : リサイクル (Recycle) 必ずしも元の形である必要はないが廃棄された素材を用いて物理化学プロセスにより新たな製品生産を行う 4. エネルギー回収 (Recover) 熱変換プロセス生物学的プロセスを用いて廃棄物からエネルギー回収コンポストのような栄養物の回収 5. 処分 (Dispose)

6 植物 ( 生産者 ) 生態学食物連鎖微生物 ( 分解者 ) 動物 ( 消費者 ) 地球生命系の活動持続条件光合成者 ( 植物 ) 物質循環運搬者 ( 動物 ) 土壌形成者 ( 微生物日陰の動植物 ) 多種多様な生き物が地球上でそれぞれの役割を果たすことにより地球環境制御システムを形成し生命活動を持続している

7 エントロピーエンタルピー自由エネルギーそしてエクセルギーちょっとだけ熱力学鉄の酸化反応 2Fe + 1.5O 2 Fe 2 O 3 標準状態における絶対エントロピー :S 0 [J/(K mol)] Fe( 固 ) 27 O 2 ( 気 ) 205 Fe 2 O 3 ( 固 ) 87 エントロピー変化は? 87 - (2 x x 205) = [J/(K mol)] エントロピーは減少ではなぜ鉄は錆びるのか?

8 エントロピー物のエントロピー :ΔS M 熱のエントロピー :ΔS H ΔS M = [J/(K mol)] 鉄の酸化反応のエンタルピー変化は :ΔH = -824 [kj/mol] ΔS H = = 2765 [ J ( K mol) ] 発熱分も合わせたエントロピー変化は : ΔS Total = ΔS H + ΔS M = = 2490 [J ( K mol)] ΔS Total = ΔS H + ΔS M = ΔH T + ΔS M 0 エントロピー増大の法則

9 化学反応の熱力学を考える際 ΔS M の部分だけをエントロピーとしてとらえ ΔS H の部分はエンタルピー (ΔH) として通常区別する ΔS Total = ΔH T + ΔS M の両辺に -T をかけると TΔS Total = ΔH TΔS M ΔG これを Gibbs の自由エネルギー変化という

10 したがって定温下では : 自由エネルギーの減少する方向 = エントロピーの増大する方向自然現象は自由エネルギーの減少する方向に進行するエントロピー増大則と同義

11 自由エネルギーの物理的意味は何だろう? G = H T S H = G +T S 系に含まれるエネルギーモノにくっついているので仕事として取り出すことはできない ( 束縛エネルギー ) 仕事として取り出せるエネルギーの最大値自由に使える可能性のあるエネルギー自由エネルギーの減少は利用可能なエネルギーの減少を表す

12 仕事 ΔG 原料エンタルピー H 1 反応系 ΔH = H 1 H 2 生成物エンタルピー H 2 ΔH = ΔG TΔS 発熱反応で出力する全エネルギー外部への仕事利用できる仕事きれいになるのなら正 -ΔG は等温等圧下での最大仕事を意味する

環境と熱平衡にない系が熱平衡状態に到達する間に外部へ仕事をする仕事能力 ) 例えば化学反応の場合

13 エクセルギー (Exergy) 解析入門近年熱機関や化学プロセスの効率を評価する際にエクセルギーと呼ばれる状態量がよく用いられるエクセルギー : 大気環境基準の最大仕事 ( 環境と熱平衡にない系が熱平衡状態に到達する間に外部へ仕事をする仕事能力 ) 例えば化学反応の場合大気環境下での自由エネルギー変化に等しいエクセルギーが大きいほど有効な仕事を産み出す能力が高いすなわちエネルギーの質が高いと言えるエネルギーの質を表すエントロピーは状況に応じて自由エネルギーやエクセルギーを用いて評価することもできる

14 各種エネルギーのエクセルギー電気電気は原理的には 100% 仕事に変換できる電気エネルギー 10 [kj] はエクセルギーも 10 [kj] 熱温度 T の熱は環境温度 T 0 を低温熱源とするカルノーサイクルで変換した時に得られる仕事として評価例えば 100 で10 [kj] の熱エネルギーは : [kj] = 2.01 [kj] 373 化学反応反応系を環境温度 T 0 とした等温変化を環境圧力 P 0 で行った場合の自由エネルギー変化環境条件 : 25 1atm なら標準生成自由エネルギー変化に等しい

15 [12] バイオプロセスは省エネになるか? 生物反応は常温常圧で進むから省エネになるということをしばしば耳にするがこれは本当か? 一例としてエチレンを酸化してアセトアルデヒドを合成する反応を考えるエチレンと酸素が共存する系では触媒を適切に選択することによりエチレンオキシド ( 銀触媒 ) 二酸化炭素 + 水 ( 白金など自動車のマフラーに利用 ) アセトアルデヒド (2 価パラジウムイオン ) などが合成できる触媒 : 特定の経路の反応速度を選択的に加速

エチレンからアセトアルデヒドを合成する反応 Pd 2+ 触媒 C 2 H 4 + 0.5 O 2 CH 3 CHO ΔG = -200.9 [kj/mol] 120 ΔH = -218.

16 エチレンからアセトアルデヒドを合成する反応 Pd 2+ 触媒 C 2 H O 2 CH 3 CHO ΔG = [kj/mol] 120 ΔH = [kj/mol] 110 スチーム 25 水 Pd 2+ 水溶液 120 発熱反応 C 2 H 4 O 2 酵素法で行うと 25 +ΔT 水 C 2 H 4 O 2 25 水酵素水溶液 25 +ΔT

両プロセスにおけるエクセルギーの低下を考えるエントロピーは増大自由エネルギーやエクセルギーは減少エクセルギーのロス (E loss ) =( プロセスに入る物質とエネルギーのエクセルギー ) ー ( プロセスから出る物質とエネルギーのエクセルギー ) C 2 H 4 + 0.

17 両プロセスにおけるエクセルギーの低下を考えるエントロピーは増大自由エネルギーやエクセルギーは減少エクセルギーのロス (E loss ) =( プロセスに入る物質とエネルギーのエクセルギー ) ー ( プロセスから出る物質とエネルギーのエクセルギー ) C 2 H O 2 CH 3 CHO ΔG = [kj/mol] ΔH = [kj/mol] 物質の入出力によるエクセルギーロス : -ΔG = [kj/mol] 発熱反応だから熱エネルギーが出力される出力されるエクセルギー = ΔH ( ) T T 0 T

18 E loss = ( ΔG) ( ΔH) T T 0 T 非生物プロセス E loss = バイオプロセス E loss = =148.2 [kj / mol] = [kj /mol] 非生物プロセスでは反応による自由エネルギーの低下のうち一部を有効なエネルギー ( エクセルギー ) として回収できる! この熱を活用すれば非生物プロセスの方が省エネになるこのような熱利用を前提とすれば発熱反応高温化吸熱反応低温化エネルギー効率向上

19 酵素反応の用途 1. 酵素でないとできない反応 ( 高効率高純度など ) 2. 常温で ΔG の小さい反応例 ) ブドウ糖から果糖への異性化プロセス 3. リサイクル性に優れた材料 ( バイオポリマー ) エクセルギーを計算すれば確かに高温プロセスの方が有利なのだが本当に高温プロセスの方が省エネになるのか? 高温で反応するためには (1) 原料を昇温したり (2) 冷えないように保つのにエネルギーを消費しないのか?

20 (1) 原料の昇温は生成物を冷やす熱で行えばよい発熱反応装置原料製品 20 約 20 熱約熱スチームも得られる (2) 熱を加えないと冷めると考えるのはビーカーのような小さい容器を頭に描くための誤解発熱量は体積に比例するが放熱量は表面積に比例する

21 一辺 1[m] の立方体の体積は V = 1 m 3 表面積は S = 6 m 2 各辺を 10 分割すると一辺 0.1 [m] の立方体が 1000 個できる V = 1 m 3 S = (0.1) 2 x 6 x 1000 = 60 m 2 一辺を 1/10 にすると単位体積あたり ( 発熱量あたり ) の表面積 ( 放熱面積 ) は 10 倍に増える放熱したければ小さく / 細く放熱したくなければ大きく / 太くすればよい

22 恒温動物のエネルギー消費 E s = 4.1w E s w 標準代謝量 [W] 体重 [kg] 体重当たりのエネルギー消費 ( 代謝率 )η [W/kg] は η = 4.1w 体重あたりではネズミの発熱量の方がウシよりも大きいもしもネズミがウシと同じくらい低い代謝率ならば体温を保つためには毛皮の厚さは 20 cm 必要もしもウシがネズミと同じくらい高い代謝率なら放熱できず熱がたまって体温が 100 を越える

23 本日のチェックポイント (1) 自然現象は系全体の自由エネルギーが ( 減少増大 ) する方向エントロピーが ( 減少増大 ) する方向に進行する (2) エクセルギーとは大気環境基準での ( ) 仕事を表す化学反応では通常標準生成 ( ) 変化に等しいと考えて良い (3) 廃熱の利用を考慮すれば常温常圧で行うバイオプロセスは必ずしも省エネにならないという主張は ( 正しい誤っている ) (4) 本日の授業で学んだこと気づいたこと身につけたこと不思議に思ったことなどを記述してください

Microsoft PowerPoint - 熱力学Ⅱ2FreeEnergy2012HP.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - 熱力学Ⅱ2FreeEnergy2012HP.ppt [互換モード] 熱力学 Ⅱ 第章自由エネルギーシステム情報工学研究科構造エネルギー工学専攻金子暁子問題 ( 解答 ). 熱量 Q をある系に与えたところ, 系の体積は膨張し, 温度は上昇した. () 熱量 Q は何に変化したか. () またこのとき系の体積がV よりV に変化した.( 圧力は変化無し.) 内部エネルギーはどのように表されるか. また, このときのp-V 線図を示しなさい.. 不可逆過程の例を