27 (2015 ) 5 5.1 1 1 0 C 100 C 100 C 0.01 0.006 3 (phase diagram) (triple point) 1: Topic 0.64 88 C 1.5 57
1.5 115 C A B A = B (conservation of heat) (thermal equilibrium) Advanced m A [g], c A [J/(g K)] T A [K] A m B [g], c B [J/(g K)] T B [K] B T E [K] T B <T E <T A A = m A c A (T A T E ) (1) B = m B c B (T E T B ) (2) m A c A (T A T E )=m B c B (T E T B ) T E T E = m Ac A T A + m B c B T B m A c A + m B c B (3) 温度 T T A T E 熱平衡状態 2: T A T B 2:1 T B 経過時間 t 5.1 100 45 C 40 C 15 C 58
(specific heat) 1g 1K [J] c [J/(g K)] m [g] 1K C [J/K] T [K] Q [J] Q = m c T = C T = = (4) 1: [J/(g K)] 0.13 0.24 0.38 0.45 0.90 4.19 25 C cal 1[cal/(g K)]. 12 () 3: 59
5.2 3 V [m 3 ] P [Pa] T[K] 3 n [mol] 1 V P V [m 3 ] P [Pa] T[K] [K]() [Pa]() Boyle Robert Boyle (1627 91) PV = (5) P V 6(a) Topic 4: 2 V T V T = (6) V T 6(c) Charles Jacques Alexandre César Charles (1746 1823) 60
Topic 3 5: (5) (6) PV T = = R (7) n (7) n PV T = nr PV = nrt (8) 絶対温度 [ ] (equation of state) (ideal gas) (8) 圧力 [ x 10 5 Pa ] %"! 絶対温度 [ ] &!! 2.0 気圧 1.5 気圧 1.0 気圧 $"' $"! #"' #"! 373K 273K 173K 圧力 [ x 10 5 Pa ] %!! $!! 0.5 気圧!"' 73K #!!!"!!!"!#!"!$!"!%!"!& 体積 [ x 10 2 m 3 ] 体積 [ x 10 2 m 3 ]!"!!!"!#!"!$!"!%!"!& 体積 [ x 10 2 m 3 ] (a)pv グラフ (b)pvt グラフ (c)tv グラフ 6: 1mol P V T 3 3 (a) P V (c) T V 5.2 5.3 5.4 7: 61
5.3 5.3.1 1 19 9 9: 8: James Prescott Joule (1818 89) 1[cal] = 4.19[J] (9) ([cal]) 1g 1 C 1 cal ([J]= 3.3.1) 1 N 1m 1J 62
1 1 1 Topic 1 (The 1st law of thermodynamics) = 37 10: 11: 80 cal/g 540 cal/g 5.5 100 m 5.6 g g =9.8m/s 2 1 1800 kcal 2200 kcal 2000 kcal kg 63
5.4 5.4.1 2 1712 1769 (heat engine) 12: Thomas Newcomen (1664 1729) 14: 13: James Watt (1736 1819) (thermodynamic cycle) 64
(P V ) 15 圧力 P P A A P D P B D B C P C V A V D V B 体積 V V C 15: P - V A B A T H 4 = 68 B C 圧力 P PA A T L C D D A D A A B C D A 1 ABCD PD D B PB C PC VA VD VB VC 体積 V 16: 1 ABCD A B 65
Q H W Q L 1 Q H W η η = W Q H ( = Q H Q L Q H =1 Q ) L Q H (10) 17: Q L 1100% (thermal efficiency) 10 20% 20 30% 30 40% 20 40% Topic 1) 5 50 60 C 2) 3) 0.5 (refrigerant) = 5.1 0.5 60 C 1 11.7 C 5 40 C 66
40 C 4) $%&'()*+),!"# 18: 3 = 14 (cogeneration, combined heat and power) 19: 67
5.4.2 1 20 η = 100% 2 (perpetuum mobile) 20: = 64 H L 2 η 2 100% η =1 T L T H (11) 21: Nicolas Léonard Sadi Carnot(1796 1832) 2 (The 2nd law of thermodynamics) 5.7 5.8 20 (a) (b) (c) 68
2 S = Q T = (12) 2 (entropy) Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822 88) (reversible process) (irreversible process) 13 () 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 22: 69
コラム コラム 14 (エコロジカルに暮らすには) もともと生物学の生態学という意味だった ecology という言葉は 最近では自然環境と 人間が共存してゆく思想を表す言葉としても使われる 大量にエネルギーを消費し 自然環 境を破壊するような暮らしを続けていけば人類の未来はない できるだけエコロジカルな 生活を行い 持続可能な (sustainable) 未来社会を築いていこう 各国の経済活動の規模を土地や海洋の表面積に換算するエコロジカル フットプリント (ecological footprint) を計算すると 日本人は一人あたり 4.3 ha になり 世界的な割り当 て値 1.8 ha を大きく上回るという 日本人のような生活を世界中の人々が始めたら 地球 が 2.4 個必要になる計算だ エコロジカルに暮らすためには 一人 一人がエネルギー消費をできる限り控え ることが求められる 電気 ガス ガソ リンなどの節約を行い 無駄な廃棄物を 減らす生活の実践だ 全国地球温暖化防止活動推進センター (JCCCA) によれば 各家庭での消費電力 量の内訳は 冷蔵庫 エアコン 給湯器な どの加熱 冷却装置で 50% を超えている 左図 節電のためにも節約のためにも 冷暖房の温度設定に気をつける 必要なときにだけ 電気を使う 図 23: 家庭における消費電力量の内訳 などの工夫が考えられる (JCCCA) [平成 22 年度] 古い製品を使い続けるよりは 新製品の方が節電になる場合がある また 最近の電気製 品は 使用していないときでも待機電力を消費するものが増えている 必要がないときに は コンセントからプラグを抜いておくことで節電になる ガスやガソリンの使用量を減らす方法も一度調べてみるのもよいだろう 化石燃料の使用と地球温暖化が関連している という指摘もある 直接の因果関係がある かどうかは異論があるが 相関があるのは事実である 東日本大震災で原子力発電の安全 神話が崩れたいま 原子力発電に代わる発電方法 そして熱機関に頼らないエネルギーの供 給方法が 最近注目されている 自然エネルギーあるいは再生可能エネルギーとされるもの には 発電 熱の直接利用 燃料化の 3 つの用途があるが 発電に関しては 太陽光発電 風力発電 バイオマス発電 地熱発電 水力発電の 5 つが柱となっている それぞれの利 点 欠点などを調べてみよう 70