エンタルピー

Physics I

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Overview

ソース: ミッチェル ・ ウィン博士は Ketron、Asantha Cooray、PhD、物理教室 & 天文学、物理的な科学の学校、カリフォルニア大学、アーバイン、カリフォルニア州

水のポットが熱いストーブの上に置くと、熱はストーブから水に「流れ」と呼びます。2 つまたは複数のオブジェクトが互いに接触熱に配置される、熱は自発的が流れる温度の高い物体から寒いものに、またはオブジェクト間の温度を均一にする傾向がある方向。たとえば、室温水のカップに氷を入れて、アイス キューブに流れる水からの熱と溶け出します。多くの場合、用語「熱」一貫性のないに通常使用されて何かの温度を単に参照してください。熱力学においては、作業のように、熱はエネルギーの伝達として定義されます。熱は、温度の相違のため、別の 1 つのオブジェクトから転送エネルギーです。

さらに、任意の隔離された熱力学システムの総エネルギー量は一定のエネルギー システム内で異なるオブジェクトが送受信することができ、エネルギーの異なる種類に変換できるが、エネルギーを作成または破棄することはできません。これは熱力学の最初の法律であります。別のビデオが、熱と熱力学的プロセスのコンテキストで説明した省エネ法に非常に似ています。水でアイス キューブの熱力学の最初の法律が無効であった場合、予想されるであろう水の分離常温カップに追加のアイス キューブがエネルギーの創造を意味する水を沸騰させるを原因となります。

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JoVE Science Education Database. 物理学の基礎 I. エンタルピー. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

内部エネルギー、温度、および熱間の明確な区別があります。物質の内部エネルギーは、物質中のすべての分子の総エネルギーを指します。その温度は、すべての個々 の分子の平均の運動エネルギーの尺度です。熱平衡隣同士に休んで他の 1 つの半分のサイズで 2 つのホット金属を検討してください。彼らの両方は、同じ温度が金属の小さい部分が他のものより半分の熱エネルギー。最後に、熱、前述のようが別のオブジェクトからエネルギーの転送です

熱は、オブジェクトに流れ、物体の温度が上昇します。ただし、温度の上昇量は熱が流入する材料の種類によって異なります。、 Q、任意の品目の温度を変更するために必要な熱の量は温度変化 ΔT、現在材料の質量mに比例します。この簡単な関係は表されます。

Q = mc ΔT (式 1)

c比熱と呼ばれる材料の特徴的な品質 (または比熱容量とも呼ば)。方程式 1を再配置を与えます。

c = Q / (m ΔT)。 (式 2)

それ故に、比熱の単位は j. です。比熱は物質 1 g を 1 ° c 上げるに必要な熱の量として記述することができます。標準大気圧での水の比熱は 4.18 J/(g°C) 知られています。つまり、4.18 J のエネルギーは 1 g の水に渡すと、その温度が 1 ° c 上昇だろうただし、その周辺から水のサンプルを十分に分離が前提です。そうでない場合水に転送されているエネルギーの一部は、例えば水が周囲の空気を取り巻く環境に失われてでしょう。この種のエネルギー損失、または転送、「作業を行っている」システムと呼ばれます熱力学の最初の法律は、としてを記述できます。

ΔU = Q - W(式 3)

Uがシステムの合計の内部エネルギーは、 Qは、システムに追加熱とWシステムによる作業です。

この演習は、"コーヒー カップ熱量計、「本質的に発泡スチロールのコップであるを機能します。発泡スチロールは、システム、作業を行いますので、十分にカップの周囲から内部の物質を隔離し、 W = 0。

Procedure

1 鉛の比熱容量を測定し、熱力学の最初の法則を実証します。

  1. スケール、鉛サンプル、2 つの発泡スチロール カップ、300 mL (または大きい) のビーカー、加熱要素、温度計、文字列の一部を取得、常温、スタンドに接続されているロッドの水クランプ、メスシリンダーとはさみ。
  2. 他のカップのふたとして機能し、発泡スチロールのカップの 1 つの上から小さな部分をカットします。底には、十分な大きさがない温度計の胴回りよりも大きいを合わせて温度計の小さい穴を作る。
  3. 220 mL のメスシリンダーを使用して水を測定し、そのまま発泡スチロールのコップに注ぐ。また、水 220 g を量ることができます。
  4. 水のカップの上に変更された発泡スチロールのコップを置いて、ふたの役割を果たしますきちんと収まっていることを確認します。ない場合は、適切な変更を加えます。
  5. 水の温度を測定し、表 1にそれを記録します。水は室温であるべきであります。
  6. 鉛サンプルすることができます完全に浸漬して、十分な水でビーカーを埋めます。水をビーカーにサンプルを置き、十分な水があることを確認します。加熱要素を使用してを沸騰に水を熱する。
  7. 鉛のサンプル文字列を接続して、沸騰したお湯に中断することができます。アクセス後、サンプルを移動するための文字列で、水のサンプルの場所。
  8. サンプルで沸騰したお湯が熱平衡に少なくとも 5 分を待ちます。沸騰したお湯から鉛のサンプルを削除すると、それは非常に急速に温度の下降が。沸騰したお湯の外のサンプルの温度を測定します。コーヒー カップの熱量計にその温度を服用後すぐにサンプルを配置するに進んでください。100 ° C を下回ることがあります。表 1にこの温度を記録します。
  9. コーヒー カップ/鉛システム周りを旋回すると、均一混合物を確保します。それを変更としては、温度計の温度を見る。それは変化しなく、一度は、表 1にその温度を記録します。
  10. 水と鉛サンプルの変更温度を使用して、水の比熱、式 1を使用して鉛の特定の頭を計算します。

エンタルピーは温度の異なるオブジェクト間をフローするエネルギーの一種です。

エンタルピーを理解するためには、フォームを変更できるだけ、エネルギーを作成または破棄することはできません、熱力学の最初の法律に精通している必要があります。システムのエネルギーの合計量は一定です。

エンタルピーの概念は、ストーブの上に水の鍋に明らかです。Q、文字で示される熱は自発的に冷水に熱いストーブから流れます。応答では、水の温度が上昇します。しかし、これはオープン システムですので環境に失われるいくつかの熱があります。

その一方で、システムは、熱力学的に孤立、満ちている魔法瓶のようなお湯、熱はシステムとその周辺の間転送されません。このシステムに冷たい金属片をドロップした場合、熱は自発的にクーラーの金属にお湯から流れます。だから、我々 はこの孤立系に熱力学の最初の法律を適用、する場合金属、または秦に吸収される熱を水、または、Qout によって失われる熱に等しいと言えます。

このビデオでは、熱力学の最初の法律をテストするこの簡単な熱伝達実験を示します。

プロトコルを掘り下げる前に、この実験に関するいくつかの重要な概念を確認してみましょう。前述のとおり、熱、または Q は自発的にホットからコールド オブジェクトに転送されるエネルギーの種類です。

熱は、温度は、すべて物質の個々 の分子の平均の運動エネルギーの尺度であると混同します。たとえば、大小さまざまな熱平衡でホットにアルミ片を検討してください。少ない分子およびより少ない質量をもっているために、金属の小さい部分がある他のものより少ない熱エネルギーしかしそれら両方は同じ温度をあります。

熱と温度の関係は次の式によって与えられる: Q = mCΔT。そのため、温度を上げるために必要な熱の量は、質量、m より少ない熱は 1 kg ではなくアルミの 1 グラムの温度を上げる必要がありますので、理に依存します。

他の要因は、C、または材料に依存した熱容量です。たとえば、木にアルミより高い比熱容量があります。これは、アルミ材 1 kg よりも 1 kg の温度を増加するより少ない熱が必要なことを意味します。

C は、1 度で物質の単位質量の温度を上げるために必要な熱の量として定義されている定数です。これらの値は、水のように、多くの一般的な材料の経験的計算されています。

次のセクションでは、実験的熱力学的分離システムを提供する熱量計を用いる鉛の C を計算する方法を紹介します。

最初に、この実験で断熱熱量計として機能する 2 つの発泡スチロールのカップを取得します。フタとして機能し、他の 1 つのカップの上から小さな部分をカットします。温度計がしっかりと通り抜けるので、ふたに小さな穴をパンチします。

220 mL の水をそのままカップに注ぐし、ふたを上にします。水の温度を測定します。

次に、リードのサンプルは完全に水没することができますので、十分な水でビーカーを埋めます。ホット プレートにビーカーを置き、水を沸騰させる。

鉛サンプルの重さし、質量を記録します。文字列をアタッチし、リング スタンドを使用してそれを中断します。それが完全に水に覆われるまで水を沸騰の鉛サンプルが水没します。

沸騰したお湯が熱平衡に到達するサンプルを許可するように 5 分間待ちます。沸騰したお湯からサンプルを削除し、初期の温度を記録します。

すぐにカップにホットのサンプルを置き、上に蓋を置き。蓋の穴を通って温度計をスライドさせます。

均一な温度を確保するため鉛サンプルとコーヒー カップを旋回します。それが変化として、温度計の温度を見て、最終的な安定した温度を記録します。

熱力学の最初の法律から、この実験では、鉛の熱い作品が冷たい水への熱を転送を知っています。カロリメータが熱力学的に孤立システムを提供すると仮定すると、リードからの熱出力は水への熱入力に相当します。公式 Q を使用して = mCΔT、我々 は以下の方程式を得る。

実験から、鉛と水の質量と鉛と水の温度変化を知っています。水の比熱はまた知られています。したがって、鉛の熱容量を計算できます。

これは鉛、0.128 の既知の熱容量をもつ優秀な契約です。この結果は、熱力学の最初の法則を検証します。

伝熱およびエネルギー保存の原則適用いくつかの日常的なイベントが、見過ごされる多くの場合。いくつかの例を示します。

水や氷を使用して簡単な実験は、熱伝導によって熱力学と熱伝達の最初の法律を示します。当初、水のガラスは室温では、氷を追加して冷却します。最終的に、氷が溶けると水と溶けた氷は、熱は水から氷へ移されたと同じ温度を達する。

ただし、システムは、周囲から孤立したが、ためには、温度を上げ水を最終的に暖かい部屋転送熱。

太陽と地球の間熱伝達の別の例であります。ただし、熱放射によって行われ、これ以来、太陽は地球よりもはるかに高い温度で、熱の流れ太陽から地球に。いくつかが宇宙の他のボディへと環境に失われるには、すべての熱は地球に転送しています。

ゼウスの熱と熱力学の最初の法律入門を見てきただけ。熱と省エネの基本概念を理解する必要があります今すぐ。見てくれてありがとう!

Results

表 1に記録された値を使用して、鉛の比熱を計算できます。熱力学の最初の法律、それはエネルギー システム内で異なるオブジェクト間で転送できますが、エネルギーは作成されず孤立したシステムで破壊を知られています。鉛の熱い部分がコーヒー カップの熱量計に入れて、熱に供給するリードから、水と熱伝達が保存されています。つまり、 Q鉛の熱出力に等しい熱量Qは、水の

QQ=.(関係式 4)

ように式 3、全エネルギー Uは一定です。式 1を使用して、式 4同等として記述できます。

mリードcリードΔTリードmc のを = ΔT(式 5)

4.18 J/(g°C)、表 1の情報を知られている水の比熱と、 cリードはの解決ことができます。

リードc = (mcΔT) / (mリードΔtリード) (方程式 6)

= (220 g · 4.18 J/(g Co) · 1.2 ° C) / (43.4 Co · 201 g)

0.127 J/(g°C) を = します。

鉛の比熱の許容値は、ここでの結果は、1.5% の違いだけとの良い一致で 0.128、です。

表 1。実験結果。

Tは私(° C) Tf (° C) m(g)
18.5 19.7 220
リード 63.1 19.7 201

Applications and Summary

熱力学の最初の法律は全体に適用されるあらゆる種類のエネルギーの転送と変換が場所を取るかが、宇宙エネルギーを作成または宇宙全体を破壊することができます。植物は、有機分子、その後食べるの多くに格納されている化学エネルギーに太陽光エネルギーを変換します。多くの私たちの電気を生成する原子力発電所は、電気を発生させてタービンを回す蒸気を生成するのに熱い放射性棒から熱転送を使用します。冷蔵庫は電気をシステムから引く熱を使用して動作します。蒸発冷却とコンデンサーが否定的な熱伝達を有効にする冷蔵庫で作業を行います。

熱伝達は、熱い鉛および居室温度水の部分間のクローズド システムで観察されました。比熱容量は、分量の水と鉛の温度変化を測定することによって測定しました。発泡スチロール カップ システムはその環境から十分に絶縁されていない場合、システムからの熱だろうがされて失った - 他の言葉で、湯/鉛は式 3のように、周辺の作業を行っているでしょう。この演習で実行する計算は難しくする周囲の空気は容易にその周囲に熱を放散するため、されているが、場合場合、。発泡スチロールのカップはよい絶縁体として機能するため、システムは周囲の空気の独立したと考えられました。熱力学の最初の法律がないエネルギーが作成または実験; の間に破壊されたと認められました。クローズド システムのエネルギーは保存されます。

1 鉛の比熱容量を測定し、熱力学の最初の法則を実証します。

  1. スケール、鉛サンプル、2 つの発泡スチロール カップ、300 mL (または大きい) のビーカー、加熱要素、温度計、文字列の一部を取得、常温、スタンドに接続されているロッドの水クランプ、メスシリンダーとはさみ。
  2. 他のカップのふたとして機能し、発泡スチロールのカップの 1 つの上から小さな部分をカットします。底には、十分な大きさがない温度計の胴回りよりも大きいを合わせて温度計の小さい穴を作る。
  3. 220 mL のメスシリンダーを使用して水を測定し、そのまま発泡スチロールのコップに注ぐ。また、水 220 g を量ることができます。
  4. 水のカップの上に変更された発泡スチロールのコップを置いて、ふたの役割を果たしますきちんと収まっていることを確認します。ない場合は、適切な変更を加えます。
  5. 水の温度を測定し、表 1にそれを記録します。水は室温であるべきであります。
  6. 鉛サンプルすることができます完全に浸漬して、十分な水でビーカーを埋めます。水をビーカーにサンプルを置き、十分な水があることを確認します。加熱要素を使用してを沸騰に水を熱する。
  7. 鉛のサンプル文字列を接続して、沸騰したお湯に中断することができます。アクセス後、サンプルを移動するための文字列で、水のサンプルの場所。
  8. サンプルで沸騰したお湯が熱平衡に少なくとも 5 分を待ちます。沸騰したお湯から鉛のサンプルを削除すると、それは非常に急速に温度の下降が。沸騰したお湯の外のサンプルの温度を測定します。コーヒー カップの熱量計にその温度を服用後すぐにサンプルを配置するに進んでください。100 ° C を下回ることがあります。表 1にこの温度を記録します。
  9. コーヒー カップ/鉛システム周りを旋回すると、均一混合物を確保します。それを変更としては、温度計の温度を見る。それは変化しなく、一度は、表 1にその温度を記録します。
  10. 水と鉛サンプルの変更温度を使用して、水の比熱、式 1を使用して鉛の特定の頭を計算します。

エンタルピーは温度の異なるオブジェクト間をフローするエネルギーの一種です。

エンタルピーを理解するためには、フォームを変更できるだけ、エネルギーを作成または破棄することはできません、熱力学の最初の法律に精通している必要があります。システムのエネルギーの合計量は一定です。

エンタルピーの概念は、ストーブの上に水の鍋に明らかです。Q、文字で示される熱は自発的に冷水に熱いストーブから流れます。応答では、水の温度が上昇します。しかし、これはオープン システムですので環境に失われるいくつかの熱があります。

その一方で、システムは、熱力学的に孤立、満ちている魔法瓶のようなお湯、熱はシステムとその周辺の間転送されません。このシステムに冷たい金属片をドロップした場合、熱は自発的にクーラーの金属にお湯から流れます。だから、我々 はこの孤立系に熱力学の最初の法律を適用、する場合金属、または秦に吸収される熱を水、または、Qout によって失われる熱に等しいと言えます。

このビデオでは、熱力学の最初の法律をテストするこの簡単な熱伝達実験を示します。

プロトコルを掘り下げる前に、この実験に関するいくつかの重要な概念を確認してみましょう。前述のとおり、熱、または Q は自発的にホットからコールド オブジェクトに転送されるエネルギーの種類です。

熱は、温度は、すべて物質の個々 の分子の平均の運動エネルギーの尺度であると混同します。たとえば、大小さまざまな熱平衡でホットにアルミ片を検討してください。少ない分子およびより少ない質量をもっているために、金属の小さい部分がある他のものより少ない熱エネルギーしかしそれら両方は同じ温度をあります。

熱と温度の関係は次の式によって与えられる: Q = mCΔT。そのため、温度を上げるために必要な熱の量は、質量、m より少ない熱は 1 kg ではなくアルミの 1 グラムの温度を上げる必要がありますので、理に依存します。

他の要因は、C、または材料に依存した熱容量です。たとえば、木にアルミより高い比熱容量があります。これは、アルミ材 1 kg よりも 1 kg の温度を増加するより少ない熱が必要なことを意味します。

C は、1 度で物質の単位質量の温度を上げるために必要な熱の量として定義されている定数です。これらの値は、水のように、多くの一般的な材料の経験的計算されています。

次のセクションでは、実験的熱力学的分離システムを提供する熱量計を用いる鉛の C を計算する方法を紹介します。

最初に、この実験で断熱熱量計として機能する 2 つの発泡スチロールのカップを取得します。フタとして機能し、他の 1 つのカップの上から小さな部分をカットします。温度計がしっかりと通り抜けるので、ふたに小さな穴をパンチします。

220 mL の水をそのままカップに注ぐし、ふたを上にします。水の温度を測定します。

次に、リードのサンプルは完全に水没することができますので、十分な水でビーカーを埋めます。ホット プレートにビーカーを置き、水を沸騰させる。

鉛サンプルの重さし、質量を記録します。文字列をアタッチし、リング スタンドを使用してそれを中断します。それが完全に水に覆われるまで水を沸騰の鉛サンプルが水没します。

沸騰したお湯が熱平衡に到達するサンプルを許可するように 5 分間待ちます。沸騰したお湯からサンプルを削除し、初期の温度を記録します。

すぐにカップにホットのサンプルを置き、上に蓋を置き。蓋の穴を通って温度計をスライドさせます。

均一な温度を確保するため鉛サンプルとコーヒー カップを旋回します。それが変化として、温度計の温度を見て、最終的な安定した温度を記録します。

熱力学の最初の法律から、この実験では、鉛の熱い作品が冷たい水への熱を転送を知っています。カロリメータが熱力学的に孤立システムを提供すると仮定すると、リードからの熱出力は水への熱入力に相当します。公式 Q を使用して = mCΔT、我々 は以下の方程式を得る。

実験から、鉛と水の質量と鉛と水の温度変化を知っています。水の比熱はまた知られています。したがって、鉛の熱容量を計算できます。

これは鉛、0.128 の既知の熱容量をもつ優秀な契約です。この結果は、熱力学の最初の法則を検証します。

伝熱およびエネルギー保存の原則適用いくつかの日常的なイベントが、見過ごされる多くの場合。いくつかの例を示します。

水や氷を使用して簡単な実験は、熱伝導によって熱力学と熱伝達の最初の法律を示します。当初、水のガラスは室温では、氷を追加して冷却します。最終的に、氷が溶けると水と溶けた氷は、熱は水から氷へ移されたと同じ温度を達する。

ただし、システムは、周囲から孤立したが、ためには、温度を上げ水を最終的に暖かい部屋転送熱。

太陽と地球の間熱伝達の別の例であります。ただし、熱放射によって行われ、これ以来、太陽は地球よりもはるかに高い温度で、熱の流れ太陽から地球に。いくつかが宇宙の他のボディへと環境に失われるには、すべての熱は地球に転送しています。

ゼウスの熱と熱力学の最初の法律入門を見てきただけ。熱と省エネの基本概念を理解する必要があります今すぐ。見てくれてありがとう!

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