適用レベル
難易度: ★★★
温度$T_1 = 20\rm{^\circ C} $の水$ 2\, \rm{kg}$と,温度$T_2= 80\rm{^\circ C} $の水$1 \,\rm{kg}$とを混合した場合について,次の問いに答えよ.
ただし,周囲環境温度を$25\rm{^\circ C} $とし,
$0^\circ\rm{C}=273\,\rm{K}$,水の比熱を$c=4.19\,\rm{kJ/(kg\cdot K)}$とせよ.
$(1)$ エントロピの変化$ \Delta S$を求めよ.
$(2)$ エクセルギの変化$Q_a$を求めよ.
$(1)$
混合後の温度$T_m$は,
\[
T_m= \frac{20 \times 2+80 \times 1}{3}=40^\circ\rm{C} =313 \ \rm{K}
\]
したがって,低温水と高温水のそれぞれのエントロピ変化の総和として,
\[
\begin{align}
\Delta S
&=c \left( m_1 \ln \frac{T_m}{T_1} + m_2 \ln \frac{T_m}{T_2} \right) \\
&=4.19 \times \left( 2 \times \ln \frac{313}{293}+ 1 \times \ln \times \frac{313}{353} \right) \\
&=0.049426 \ \rm{kJ/K} \\
&= 49.43 \ \rm{J/K}
\end{align}
\]
$(2)$
アネルギ
\[
\begin{align}
Q_0
&= T_0 \Delta S \\
&=298 \times 49.426 \\
&= 14729 \ \rm{J}
\end{align}
\]
エクセルギ
\[
\begin{align}
Q_a
&= 0-Q_0 \\
&= -14729 \ \rm{J}\\
\end{align}
\ \\
\therefore エクセルギは14.7 \ \rm{kJ}減少した.
\]