例題集

熱力学の第二法則(17) 混合における有効エネルギ変化

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 \[ \begin{align} Q_a &= 0-Q_0 \\ &= -14729 \ \rm{J}\\ \end{align} \ \\ \therefore エクセルギは14.7 \ \rm{kJ}減少した. \]