ヒートポンプの謎

こんにちは。

今週(5/21~5/27)は、物理の熱力学分野に関する学習を進めていました。
関連する明細書に目を通しつつ、テキストの第9講&第10講を終えたところです。

熱とは何かからはじまり、温度の正体、理想気体、熱機関、仕事、熱力学第一法則・・・。
非常に盛沢山の分野でした。
大学時代はエントロピーやエンタルピーと聞いても???で、とりあえず公式を覚えて問題を解いていました。しかし基本概念を理解した今ならば大学の教科書の内容を当時より深く理解できそうです。

と、いうことで大学時代にも使用していたアトキンス物理化学(上)を購入。
大学時代に使用していた教科書は卒業後になんと全部捨ててしまった(!!!)ので、全部また買いなおすことになりそうです・・・笑

ビデオで出てきた「ヒートポンプ」に関しても調べてみました。

ヒートポンプとは

ヒートポンプは、その名のとおり熱を汲み上げる装置で、別名熱ポンプと呼ばれます。水ポンプは水を送りますが、ヒートポンプ(熱ポンプ)は熱を送ります。水ポンプは水を低いところから高いところに汲み上げることが出来るのに対して、ヒートポンプは熱を温度の低いところから高いところに移動させる(汲み上げる)ことができます。

エアコンや冷蔵庫はヒートポンプの一種です。

熱を発生させるより熱を移動させる方が必要なエネルギーが少なくて済むので省エネルギー、省ランニングコストのシステムが構築できます。

引用:ゼネラルヒートポンプ工業株式会社

上の図において、

圧縮過程(断熱圧縮)
-> 冷媒(気体)の圧力・温度を増加させる過程。

蒸発過程(等温圧縮)
-> 高温部に熱を放出する過程。以下の2つの方法で放熱する。
・冷媒(気体)の等温圧縮
・冷媒の凝縮(等温圧縮により冷媒(気体)が液体に凝縮する際に凝縮熱が発生する)

膨張過程(断熱膨張)
-> 冷媒(液体)の圧力・温度を減少させる過程。冷媒の一部が気体になる。

凝縮過程(等温圧縮)
-> 低温部から熱を吸収する過程。以下の2つの方法で吸熱する。
・冷媒(液体・気体)の等温膨張
・冷媒の蒸発(等温膨張により冷媒(液体)が気体に蒸発する際に蒸発熱を吸収する)

ですね。

「断熱圧縮 -> 等温膨張 -> 断熱膨張 -> 等温圧縮」を1サイクル(逆カルノーサイクル)として、低温部から高温部に熱を移動させる仕組みです。まさに熱のポンプですね。

液体の断熱膨張??

ところで。上図を見るとわかるのですが、
冷媒は気体状態と液体状態を交互にとるんですよね。
蒸発過程と凝縮過程があるんだから、そりゃ蒸発して気体にもなるし凝縮して液体にもなるんだろうといえばそうなのですが。

ここで私が引っ掛かったのが、膨張過程における液体の断熱膨張です。

液体の断熱膨張って何だ??

確か高校化学で、気液平衡や飽和蒸気圧については学習しました。(該当箇所のビデオは未視聴)
あれは断熱過程ではなかったと思いますが、似たようなものなのだろうか。

うーむ。としばらく考える。

—————-
断熱膨張では外部から熱が与えられないので、内部エネルギーが減少するはず。
(内部エネルギー = 系の全分子の運動エネルギー + 分子間の相互作用エネルギー)

①液体の内部エネルギーが減少する
-> 分子間相互作用が減少する
-> 一部分子の分子間相互作用がほぼなくなり、一部分子が気体になる

②液体の内部エネルギーが減少する
-> 液体分子の運動エネルギーが減少する
-> 液体の温度が低下する

という2つの過程が起こるために、
液体の一部が気体になる、かつ、液体の温度が低下する
のではないか
—————-

という暫定的な結論に至りました。
気体の断熱膨張についてはばっちり学習しましたが、そこに液体が絡んでくるとよく分からなくなりますね・・・。現時点ではとりあえずここでやめておいて、化学や物理の学習が進んでからまた戻ってこようと思います。

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