エクセルギーの問題

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質問者：mkmiyayaya
質問日時：2011/07/26 04:06
回答数：2件

1m^3の容器内の空気が0.1kPaの真空に保たれていて、その温度は周囲温度25℃に等しいとする。この系のエクセルギーを求めよ。ただし空気中のガス定数は287J/kg・Kとする

という問題が分かりません。
答えは100kJだそうです。

エクセルギーとは反応前の数値、反応後の結果がないと出せないのではないでしょうか？

あと「1m^3の容器内の空気が0.1kPaの真空に保たれていて」という表現が理解できません・・・。

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回答 (2件)

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No.1ベストアンサー

回答者： reynoldskun
回答日時：2011/07/26 10:48

まず標準状態の定義を示します。

標準状態…25[℃]＝298.15[K]かつ101325[Pa]の状態のことである。

標準状態における空気の密度は1.2928[kg/m^3]

この問題では0.1[kPa]=100[Pa]なので、簡単に比をとり密度を計算すると100:101325=x:1.2928　

ゆえにx=0.001276[kg/m^3]

1[m^3]の容器で考えているので密度はそのままx=0.001276[kg/m^3]

全エネルギーEを計算します。

ガス定数287[J/kg K]より、E=287×(25+273.15)×0.001276=109.1861[J]

エクセルギーとは有効エネルギーのことで、全エネルギーから無効エネルギーを差し引いたもの。つまり取り出し可能なエネルギーのことです。この系では周囲と温度が等しい(エントロピー変化量が０)ので無効エネルギーは考える必要はない。よって全エネルギーがそのままエクセルギーになります。

「1m^3の容器内の空気が0.1kPaの真空に保たれていて」という表現は「標準状態における圧力（101325[Pa]）よりも十分に低い圧力に保たれている」ということですね。

指定されている答えの100[kJ]と全然違いますが…この回答に不審な点があるかたどなたかお願いします。

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この回答へのお礼

「1m^3の容器内の空気が0.1kPaの真空に保たれていて」が、真空に空気を入れるのに真空と呼べないのでは・・・と考えていました。ありがとうございます

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お礼日時：2011/07/27 04:36

No.2

回答者： doc_sunday
回答日時：2011/07/26 10:59

100kJと109.1861kJの違いは温度273.15と298.15の違いですね。

あとは問題の読み方と出題が正しかったかどうかに掛かっています。

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　と指すものが同じだと思うのですが値を代入してみると(1)とは違った値が出てきます。これは何故でしょうか？何故エクセルギはW=η×Qと明確に区別するのでしょうか？どなたか分かりやすく教えていただけないでしょうか。

Aベストアンサー

<<3補足
はい。そのとおりです。

なお、♯3の訂正です。

カルノーサイクルでは、熱源の温度は十分大きいとしていて×→熱源の大きさは十分大きいとしていて

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Aベストアンサー

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合成反応で取り出し得るエネルギーについて知るには、熱力学の基礎を学ばなければなりません。カルノーサイクルの効率とギブスの自由エネルギー（または、ヘルムホルツの自由エネルギー）について復習して下さい。等温等圧ではΔＧ=ΔH-TΔSが、取り出し得る最大の仕事（有効エネルギー）になります。

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余談ですけど、なぜ可逆過程なのにエントロピー変化があるのかというと、ひとつは、断熱系と混同しがちだからです。dS≧dQ/Tというのが、一番基本的なものなのです。断熱系dQ=0の場合のみdS≧0となりエントロピー増大則になります。また
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高熱源のエントロピー変化量:-Q/T1
低熱源〃：(Q-W)/T2
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Aベストアンサー

「格子定数」「ミラー指数」などと出てくると構えてしまいますが、この問題の本質は3次元空間での簡単な幾何であり、高校生の数学の範囲で解くことができます。

固体物理の本では大抵、ミラー指数を「ある面が結晶のx軸、y軸、z軸を切る点の座標を(a/h, b/k, c/l)とし、(h, k, l)の組をミラー指数という(*1)」といった具合に説明しています。なぜわざわざ逆数にするの?という辺りから話がこんがらがることがしばしばです。
大雑把に言えばミラー指数は法線ベクトルのようなものです。特に立方晶であれば法線ベクトルと全く同じになります。すなわち立方晶の(111)面の法線ベクトルは(1,1,1)ですし、(100)面の法線ベクトルは(1,0,0)です。法線ベクトルなら「ミラー指数」よりずっと親しみがあり解けそうな気分になると思います。

さて(hkl)面に相当する平面の方程式を一つ考えてみましょう。一番簡単なものとして
hx + ky + lz=0　　(1)
があります。(0,0,0)を通る平面で法線ベクトルは(h,k,l)です。
これに平行な、隣の平面の式はどうでしょうか。
hx + ky + lz = a　　(2a)
hx + ky + lz = -a　　(2b)
のいずれかです。これがすぐ隣の平面である理由(そのまた間に他の平面が存在しない理由)は脚注*2に補足しておきました。
点と直線の距離の公式を使えば、題意の面間隔dは原点(0,0,0)と平面(2a)の間隔としてすぐに
d=a/√(h^2+k^2+l^2)　　(3)
と求められます。

点と直線の距離の公式を使わなくとも、次のようにすれば求められます。
原点Oから法線ベクトル(h,k,l)の方向に進み、平面(2a)とぶつかった点をA(p,q,r)とします。
OAは法線ベクトルに平行ですから、新たなパラメータtを用いて
p=ht, q=kt, r=lt　　(4)
の関係があります。
Aは平面(2a)上の点でもありますから、(4)を(2a)に代入すると
t(h^2+k^2+l^2)=a
t=a/(h^2+k^2+l^2)　　(5)
を得ます。
ここにOAの長さは√(p^2+q^2+r^2)=|t|√(h^2+k^2+l^2)なので、これを(5)に代入して
|a|/√(h^2+k^2+l^2)　　(6)
を得ます。OAの長さは面間隔dにほかならないので、(3)式が得られたことになります。

bokoboko777さん、これでいかがでしょうか。

*1 (h, k, l)の組が共通因数を持つ場合には、共通因数で割り互いに素になるようにします。例えば(111)面とは言いますが(222)面なる表現は使いません。
*2 左辺はhx+ky+lzでよいとして、なぜ右辺がaまたは-aと決まるのか(0.37aや5aにならないのは何故か)は以下のように説明されます。
平面をhx+ky+lz = C (Cはある定数)と置きます。この平面は少なくとも一つの格子点を通過する必要があります。その点を(x0,y0,z0)とします。
h,k,lはミラー指数の定義から整数です。またx0,y0,z0はいずれもaの整数倍である必要があります(∵格子点だから)。すると右辺のCも少なくともaの整数倍でなければなりません。
次に右辺の最小値ですが、最小の正整数は1ですから平面hx + ky + lz = aが格子点を通るかどうかを調べ、これが通るなら隣の平面はhx + ky + lz = aであると言えます。このことは次の命題と等価です。
<命題>p,qが互いに素な整数である場合、pm+qn=1を満たす整数の組(m,n)が少なくとも一つ存在する
<証明>p,qは正かつp＞qと仮定して一般性を失わない。
p, 2p, 3p,...,(q-1)pをqで順に割った際の余りを考えてみる。
pをqで割った際の余りをr[1](整数)とする。同様に2pで割った際の余りをr[2]・・・とする。
これらの余りの集合{r[n]}(1≦n≦(q-1))からは、どの二つを選んで差をとってもそれはqの倍数とは成り得ない(もし倍数となるのならpとqが互いに素である条件に反する)。よって{r[n]}の要素はすべて異なる数である。ところで{r[n]}は互いに異なる(q-1)個の要素から成りかつ要素は(q-1)以下の正整数という条件があるので、その中に必ず1が含まれる。よって命題は成り立つ。

これから隣の平面はhx + ky + lz = aであると証明できます。ただここまで詳しく説明する必要はないでしょう。証明抜きで単に「隣の平面はhx + ky + lz = aである」と書くだけでよいと思います。

参考ページ：
ミラー指数を図なしで説明してしまいましたが、図が必要でしたら例えば
http://133.1.207.21/education/materdesign/
をどうぞ。「講義資料」から「テキスト　第３章」をダウンロードして読んでみてください。(pdfファイルです)

参考URL：http://133.1.207.21/education/materdesign/

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どなたか、簡単に熱交換の基礎式などを教えてください。

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　hs：伝熱面の汚れ係数、内外２種類有る。
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>冷却管の外径はφ３４で長さが４ｍのものが６０本
>冷却管の外径での総面積は２５．６ｍ２あります。
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