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仕事と熱エネルギーの式

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エネルギーとエンタルピー

エネルギーとは

エネルギーとは、物質や場所に何らかの仕事をする能力のこと。

エネルギーのSI単位はジュール〔J〕、
その組立単位は〔kg・m2・s-2〕、
量記号はE。

エネルギーの計算式

エネルギー = 力 × 距離 〔kg・m・s-2 × m〕
= 圧力 × 体積 〔kg・m・s-2 × m〕
= 力÷面積 × 体積 〔kg・m・s-2 ÷ m ×m3


仕事(Work)と熱移動(Heat)


1.仕事 Work

仕事とは、系(外界)が外界(系)に対して、原子レベルで一様な動きを与えるエネルギーの移動形態。
全体が移動する、軍隊の行進のような行儀の良いエネルギー形態

2.熱移動 heat

熱とは、系(外界)が外界(系)に対して、原子レベルで乱雑な動きを与えるエネルギーの移動形態。
全体は移動せずに、中の原子だけが乱雑になる行儀の悪いエネルギー形態


1.仕事とは

仕事とは、巨視的な力が原因となって移動したエネルギーのこと。
仕事のSI単位は J(ジュール)

仕事〔J〕 = 力〔N〕 × 距離〔m〕
1J = 1Nm

仕事 = 力 × 距離
W = m・g・Δh 〔J〕

m:質量〔kg〕
g:重力加速度9.81〔m・s-2
1J = 1Nm = 1kg・m2・m-2

ほかにも、化学反応などで、系が外界にした微小な仕事ΔWは下式で表されます。

ΔW = Pe・ ΔV

(自分が頑張って外部に仕事をすると、符号は-と書く)
e : 外界の圧力
ΔV : 系の微小な体積変化


2.熱エネルギーとは

熱エネルギーとは、方向がそろっていないバラバラな運動(並進・回転・振動)をしている原子や分子の運動エネルギーの総和のこと。
この乱雑な物質の運動のことを熱運動といいます。

絶対0度(T = 0K)の物質の熱エネルギーは0Jなので、PV=0、理想気体の体積は0Lになります。
PV=nRT


熱機関とは

熱機関(heat engine)とは、高温の物体から低温の物体への熱エネルギーの移動を継続的に仕事に変換する装置のこと。

熱機関は熱エネルギー(分子のバラバラな運動エネルギー)の一部を、仕事(方向性のある力学的エネルギー)に変換する装置です。

熱効率eの式

温度T1の高温物体からプラスの熱量Qインを取り出して、
外界に正味の仕事Wを行い、
その際に温度T2の低温物体にプラスの熱量Qアウトを放出する熱機関についての熱効率eは下式で表せます。

W = Qイン - Qアウト

e = W / Qイン
e = (Qイン-Qアウト) / Qイン

e = 1 - (Qアウト/Qイン) < 1