化学科2年生クラス会 •日時： 1月9日（水） 12:30～13:40 •場所： 11号館8階ラウンジ •参加費：無料 •内容：昼食を取りながら，教員と学生および学生間の交流を行う．基本的に全員参加のこと！昼休みに用事がある人は遅れてもよいので参加のこと．クラス会終了後に2年生の化学実験の後片付けを行う． 1 今後の予定 12日目 12月21日講義（熱機関の効率、まとめ、班討論） 2回目口頭報告の割当日の決定 13日目 1月 11日（金），12日（土）口頭報告2回目 ※ 1月12日（土）は1・2時限目，21522教室試験対策講座（質問受け付け） 1月16日（水）5・6時限目，21501教室 14日目 1月18日（全学的には休講日）予備テスト 15日目 1月25日定期テスト •前回の講義への質問等 •本日の課題 2回目口頭報告の準備エネルギーに関係する技術についてインターネット等で調べ，要約と感想を書け．（i-sysで提出） 2 自由エネルギーとは何か？ G  H  TS 定温定圧条件下における自発的変化では自由エネルギーは減少する．定温・定圧変化では．．． G  H  TS S univ  G / T 冊子p100 3 定温定圧条件下で自由エネルギー最低の状態（熱力学的な最安定状態）が実現しないことがありえるか？ありえるとすれば，どのような場合か？冊子p104 質問６－３ 4 触媒触媒は活性化エネルギーを変化させる．始状態と終状態は変わらない．始状態終状態 5 エコカイロ酢酸ナトリウム水溶液 ⇒ 酢酸ナトリウム三水和物（結晶） G 過冷却液体結晶 G  H  TS 「過熱」は起こらない液体融点 T 6 砂糖を加熱すると，どうなるか？加熱したものを冷やすと，どうなるか？ G G  H  TS ガラス × 過冷却液体結晶液体融点 p104 図6－3 T 7 質問６－４ H 2  I 2  2HI という反応の自由エネルギー変化は負であるのに，反応は完結せず，質量作用の法則で決まる組成で止まるのはなぜか？ 2 [HI] K [H2 ] [I2 ] 冊子p105 8 A → B H S x G x x 図6－4 気相反応の途中のエンタルピー，エントロピー，自由エネルギー冊子p106 9 A B S x 図6－4 気相反応の途中のエンタルピー，冊子p106 エントロピー，自由エネルギー 10 A → B H S x G x x 図6－4 気相反応の途中のエンタルピー，エントロピー，自由エネルギー冊子p106 11 dG 0 dx  PB   G  / RT Kp    e  PA  equil 12 なぜ高温から低温に熱が流れるのか？ S univ  0 13 なぜ高温から低温に熱が流れるのか？高熱源 TH Q 低熱源 TL S univ  S H  S L Q Q     0 TH TL 14 エンジンの効率に限界はあるか？ S univ  0 15 エンジンの効率に限界はあるか？ QH QL 高熱源エンジン低熱源 TH TL W 力学的周囲 QL  QH  W S univ  S therm,H  S therm,L QH QL     0 = TH TL 16 高熱源 QH QL 低熱源エンジン TH TL W 力学的周囲 QL  QH  W 最大効率のエンジンでは．．． S univ QH QL     0 TH TL w QH  QL TH  TL 効率　   QH QH TH 熱源の温度差が大きいほど効率が良くなる． 17 高熱源 QH エンジン TH 低熱源 TL W 力学的周囲どんなにがんばっても QH  W は無理．（第二種永久機関は実現でいない） 18 まとめ 19 化学変化の進む方向はどのようにして決まるのか？宇宙（熱力学的世界）のエントロピーが増大する方向に変化が進む．（エントロピー増大の法則 or 熱力学第二法則）定温・定圧過程では，系の自由エネルギーが減少する方向に変化が進む．（自由エネルギー減少の法則） G  H  TS H  E  PV p70 20 ポテンシャルエネルギーと力の関係落下・上昇にともなう重力ポテンシャルエネルギー変化力に従って落下 → EP減少力に逆らって上昇 → EP増加重力力が大きいほどEP の増減は大きくなる． P32 図２－５ 21 ポテンシャルエネルギーと力の関係 F：正の大きな値 EP F：正の小さな値 EP 傾き：負の大きな値傾き：負の小さな値 r r F=0 EP F=0 EP 傾き＝０傾き＝０ r r dE P  F dr P34 図２－６ 22 内部エネルギーの内訳 E  EK  EP  Eel 分子電子ポテンシャルエネルギー：EP 電子エネルギー：Eel 分子運動エネルギー：EK 原子核 P44 図３－７ 23 分子の運動エネルギー加熱 E  EK  EP  Eel P38 図３－１ 24 分子間ポテンシャルエネルギー E  EK  EP  Eel P39 図３－２ 25 ポテンシャルエネルギーと力の関係落下・上昇にともなう重力ポテンシャルエネルギー変化力に従って落下 → EP減少力に逆らって上昇 → EP増加重力力が大きいほどEP の増減は大きくなる． P32 図２－５ 26 電子エネルギー E  EK  EP  Eel 結合状態の水素分子解離状態の水素分子 P40 図３－３・４ 27 H H エネルギー発熱 H－H 結合エネルギーと発熱 P41 図３－５ 28 E  EK  EP  Eel 系 E EK  K, trans 3  k BT 2 T により変化（Tに比例） EP 分子集合状態により変化 Eel 化学反応により変化 P50 図３－１２ 29 重り＝力学的周囲宇宙（熱力学的世界）＝系＋熱的周囲＋力学的周囲系系＝現在注目している部分恒温槽＝熱的周囲 P59 図４－２ 30 力学的周囲 Emech w 系系 q E 熱的周囲 E P Eel w   PV q  H H  E  PV K, trans 3  k BT 2 Euniv = 0 定圧過程では E E K  Etherm 宇宙 T により変化（Tに比例）分子集合状態により変化化学反応により変化 31 モデル図等温条件で気体を圧縮した場合力学的周囲圧縮熱的周囲宇宙系理想気体等温エネルギー図力学的周囲宇宙 E mech w 系 E q 熱的周囲 E therm E univ= 0 E = 0 32 様々なエネルギーの値の比較（ｐ６３） •共有結合：約500 kJ/mol → Eel 水素の燃焼熱：約500 kJ/mol •水素結合：約20 kJ/mol → Ep 水の蒸発エンタルピー： 40 kJ/mol •ファンデルワールス力：約1 kJ/mol → Ep アルゴンの蒸発エンタルピー： 6.5 kJ/mol •PV仕事（300 K，1 atmで1 molの気体発生）： 2.4 kJ/mol •分子運動のエネルギー（300 K，RTの値）： 2.4 kJ/mol 多くの場合 H  E  PV  E 33 ＜エントロピー＞ S  k lnW エントロピーは乱雑さの指標である． S  S 空間配置  S エネルギー  k B ln W空間配置  k B ln Wエネルギー p72 34 Smech = 0 重り＝力学的周囲力学的周囲のエントロピー変化は常にゼロ力学的周囲系系 Smech = 0 Stherm = －H/T 系 S H 熱的周囲宇宙 Suniv = S + Stherm+ Smech 熱を放出するとエントロピー減少熱を吸収するとエントロピー増加 p80 図5－14 35 H2O → H2 +(1/2)O2 Smech,2 = 0 Smech,1 = 0 力学的周囲２（電池など）力学的周囲１（PV仕事） Stherm = ‐q/T 宇宙（全世界） Suniv < 0 q = H 系 S 熱的周囲 Suniv = S+Stherm 36 H2O → H2 +(1/2)O2 Smech,2 = 0 Smech,1 = 0 力学的周囲２（電池など）力学的周囲１（PV仕事） Stherm = ‐q/T 宇宙（全世界） Suniv < 0 q = H‐w2 w2 系 S 熱的周囲 Suniv = S+Stherm=0 とすると w2＝H‐TS＝G 37 生命は熱力学法則に従うか？ • エネルギー保存は成り立つか？ • エントロピー増大成り立つか？ • 散逸構造壁対流伝導弱く加熱流体壁強く加熱 38