エンタルピー単語

エンタルピー
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エンタルピー(enthalpy)とは、熱力学における物質の熱と深く関係する概念である。
習いたての学生エントロピーentropy)とごっちゃにすることに定評がある

概要

エントロピーとは全くの別物である。大事なことなので2回書きました)

エンタルピーとはなんだろうか?
この工学学生が必ずと言っていいほどつまづくの概念について、なんとなく理解できるよう解説してみようと思う。

状態量

まずは「状態量」という概念を獲得してほしい。
エンタルピーは状態量である。この状態量ということを理解しなければエンタルピーの重要性に気づくことは出来ない。

そこで簡単な概要を説明しよう。気体があるとする。この気体の温度をT1℃からT2℃に上げたい。それにはふたつの手段がある。気体を圧縮する等の仕事をするか、ヒーター等で加熱するか、少なくともどちらかを行わなければならない。

ここで、熱量と仕事の和が10になるように加えれば、T1℃からT2℃になるとする。つまり、「熱量が1なら仕事は9」や「熱量が10なら仕事が0」といった感じである。
このように、T1℃からT2℃にするには、10の熱量と仕事の合計が必要である。逆に言えば、合計が10でさえあれば仕事も熱量も加える量は自由である。色々な変化を取り得るような量があることを知ってほしい。

しかし、温度という量は物質の状態を決めるひとつの量なので経路に依存しない。T1℃からT2℃に上げたなら、上げた方法(経路)はどうでもいいのである。同様に、経路に依存しないものとして圧、体積、内部エネルギーなどがある。これらのことを状態量(微分)という。

一方、熱量、仕事のような経路に依存する量は"不微分"という。

エンタルピーの定義

H=U+PV

Hがエンタルピー、Uが内部エネルギー、Pが圧、Vが体積である。

内部エネルギーというのは、その物体の運動エネルギーと位置エネルギーをあわせて考えた状態量と考えてもらえればいい。要は物体の持ち得るエネルギーである。

つまりエンタルピーは

エンタルピー=(エネルギー)+(圧)×(体積)

と表現できる。

ここで注してほしいのが、右辺が全て状態量である。従って、エンタルピーも状態量なのである!

有用性

上で書いたとおり、熱量は経路に依存する不微分だったと書いた。つまりある物質の状態だけを観測して、熱量を計測するのは不可能である。このことからも、状態量というのは便利な量ということがわかる。なぜなら、その物質の状態だけを知ることさえできたら、温度や圧といった量がわかるからである。

それでは、熱量をなんとか状態量にすることが出来ないか。そこででてくるのがエンタルピーなのである。

エンタルピーは定圧下だと、熱量と等しくなる。このことを明するのは数学的な明が必要なのだが、とりあえず受け入れてほしい。明は別に下に書きます。暇なら読んでください。

つまり定圧下だと、熱量qとエンタルピーの変化ΔHは等しいのである。

ΔH=q

つまり、エンタルピーを導入すれば、々のいる間は大気圧というほぼ一定の圧下に支配されているので、熱量がなんとエンタルピーに化けて状態量になってしまったのである。


暇な方用の明。(大学の解析学を修めてること推奨)

まず、系(注している物質群;気体など)がされた微小仕事をdw=-pdVということを知っていてほしい。この説明は割愛させてください。第一法則より

dU=dw+dq

dq=dU-dw

dw=-pdVを代入して

dq=dU+pdV・・・①

ところで、エンタルピーの微小変化(全微分)は

dH=dU+pdV+Vdp

定圧ならばdp=0なので

dH=dU+pdV・・・②

①と②を較すると全く同じなのでdH=dqとなる。従って、定圧変化なら状態量であるエンタルピーと熱量が等しくなる。


もっと暇な方用の↑の明の補足

「定圧」の他に「準静的過程」を仮定しないといけないです。

具体的にいうと、実は上の明ではpdVのpが「系の圧」か「外界の圧」の議論があいまいになっています。

正確に書くと、

①式はdq=dU+p外界dV

②式はdH=dU+pdV

となり、一致するわけではありません。そのため、「準静的過程」を仮定しないといけません。

イマイチわからないという方は関連動画をご覧ください。

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エンタルピー

23 ななしのよっしん
2015/10/15(木) 21:51:15 ID: Ce9OYLZjkj
授業でよく分からなくてググったらこの記事が出てきて
「なんだニコ百科か」
と期待せずに開いたのにとても分かりやすかった
この記事を作った人に感謝しよう
24 ななしのよっしん
2015/12/14(月) 19:42:43 ID: QAUNFKH83m
エンタルピーにHを使ったせいでヘルムホルツエネルギーがAだかFになって分かりにくいんだよなぁ
25 ななしのよっしん
2016/12/05(月) 02:46:57 ID: p7vmDVUN1u
分かりやすい!助かった!
26 ななしのよっしん
2017/05/04(木) 16:49:17 ID: q44hvimcSe
準静的過程を仮定しなければならないって書いてるけど、熱力学の話をしてるから補足いらん
27 ななしのよっしん
2017/11/26(日) 20:53:31 ID: EhcWOz+pCd
こういう言葉の定義の説明をぶん投げていきなり問題と解説から入る参考書の多いこと……。エ◯ルギーセンターめえだよw
28 ななしのよっしん
2019/06/14(金) 07:50:17 ID: lYYV90L3U5
エンタルピー=内部エネルギー+(圧✕体積)

これだけで良いはずなんだ。
蒸気表を見て検算してみよう。内部エネルギーまで載っている蒸気表はやや少ないが、ネット上でも見つかるから。
29 ななしのよっしん
2019/06/25(火) 17:54:07 ID: mVv1U5fMqt
すげー分かりやすい
編集者感謝!
30 ななしのよっしん
2019/06/25(火) 17:56:22 ID: mVv1U5fMqt
ニコ百はたまにこうゆういい記事もあるから侮れないんだよな
31 ななしのよっしん
2019/07/16(火) 21:50:46 ID: 1GuEwA0yVK
中学理科エネルギー保存の法則ってのが出てきたと思う。高さh[m]…[ ]で囲んだところは単位…に置いてあるの位置エネルギーと、その速度X [m]で落下しているエネルギーの合計は常に同じってこと。式で言えば mgh=1/2mv^2 になる。
がh[m]下の床に突した間もこのこの法則は適用される…が、実際にを落とすとグチャッという音を立てるはず。音が出るってことはエネルギーの一部が音に変わったということを意味する。それからに見えることはないけど、落ちた間には熱を帯び、ヘタしたら少しを放ってる。この熱やエネルギーの一部が変換して生まれたもの。
つまり、中学時代はエネルギー保存の法則シンプルに学習するけど、現実の現をいろいろ加味していったらキリがなくなる。
だから学者は「もう全部"内部エネルギー"ってことでよくね?」「それええなぁ。それエンタルピーって呼ぼうぜ!」となった。
32 ななしのよっしん
2019/07/16(火) 22:13:21 ID: 1GuEwA0yVK
エネルギー単位って何にする?熱やはジュール[J]でいいよな?」
「まあE=mC^2 とかあるしな。」
あれ?1/2mv^2 の単位もジュール[J]じゃね?」
「それ言ったらmghだってジュール[J]だろ、、、あっ」
仕事とか熱とかエネルギーといってるけど、実態は同じものか!」
「なら、エンタルピー単位はジュール[J]しかないな。」
「ところで気体を圧縮するのも仕事(単位:ジュール[J]だろ)」
「pは圧だからPa(=N/m^2)、Vは体積だからm^3。pVは関係なくね?」
単位で考えてみ? N/m^2×m^3=N・m。ニュートン×メートル仕事[J]そのものだろ。」
「そうするとパスカル[Pa]×体積[m^3]ってのも仕事単位はジュール[J]になるんか」
「あぁーー」「ほぇーー」

科学史を視した架の会話だけど、これなら中学生でも解るはず。

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