目次
第1章

概論････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

1・1 熱力学の意義････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

1・2 熱の授受と熱力学･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

第2章

2
3

････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

5･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

7････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

7･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

7

基本概念と熱力学第 0 法則

2・1 系・物質・エネルギー
2・1・1 系

1･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

1・3 熱力学の歴史的背景*
1・4 本書の使用法

1･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

7･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

8

2・1・2 閉じた系と開いた系
2・1・3 エネルギーの形態･･･････････････････････････････････････････････････････

8

2・1・5 内部エネルギー･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

9

2・2 熱力学の微視的理解*･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

9

2・1・4 エネルギーの巨視的形態と微視的形態

2・2・1 質点系の内部エネルギー･････････････････････････････････････････････････････････････････････････

9････････････････････････････････････････････････････････････････

10

2・3 温度と熱平衡（熱力学第 0 法則）･････････････････････････････････････････････････････････････････････

12

2・3・1 熱平衡（熱力学第 0 法則）･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

12

2・3・2 温度････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

13

2・4 熱量と比熱･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

13･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

14

2・2・2 分子運動と物質の状態・相変化

2・5 状態量････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

14････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

14

2・6 単位系と単位
2・6・1 SI････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

16･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

19

3・1 熱と仕事･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

19

3・1・1 熱･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

19････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

19

2・6・2 SI 以外の単位系と単位

第3章

熱力学第 1 法則

3・1・2 仕事

3・2 閉じた系の熱力学第 1 法則･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

20

3・3 熱力学的平衡と準静的過程･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

23････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

23･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

23

3・3・1 熱力学的平衡
3・3・2 準静的過程

3・3・3 可逆過程と不可逆過程*･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

25･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

25

3・4 準静的過程における閉じた系の熱力学第 1 法則
3・4・1 熱力学第 1 法則

24････････････････････････････････････････････････････

25

3・4・3 定積比熱と定圧比熱･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

26

3・5 開いた系の熱力学第 1 法則･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

27

3・4・2 準静的過程におけるサイクルの正味仕事

3・5・1 定常流動系と質量保存則･････････････････････････････････････････････････････････････････････････

27

3・5・2 流動仕事とエンタルピー･････････････････････････････････････････････････････････････････････････

27････････････････････････････････････････････････････････････････

28･･･････････････････････････････････････････････････････････････････

29

3・6 理想気体における熱力学第 1 法則･････････････････････････････････････････････････････････････････････

32

3・6・1 理想気体と内部エネルギー･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

32････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

33

3・5・3 定常流動系のエネルギー保存則
3・5・4 各種機械における定常流動系

3・6・2 理想気体の比熱*････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

35････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

39･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

43

3・6・3 理想気体の準静的過程
3・6・4 理想気体の混合*

第4章

熱力学第 2 法則･････････････････････････････････････････････････････････

43･････････････････････････････････････････････････････････････････････････

43････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

44･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

46･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

46

4・1 熱を仕事に変換する効率：カルノーの功績
4・1・1 熱効率に限界はあるか？
4・1・2 カルノーの考えたこと
4・2 熱機関のモデル化
4・2・1 サイクル････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

48･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

49

4・2・2 可逆過程と不可逆過程
4・2・3 内部可逆過程*･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

50･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

53

4・3 カルノーサイクルの性質
4・4 閉じた系の第 2 法則･･････････････････････････

54

4・4・2 2 つの熱源と作用するサイクル･････････････････････････････････････････････････････････････････

55

4・4・3 n 個の熱源と作用するサイクル･････････････････････････････････････････････････････････････････

55････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

56

4・4・1 1 つの熱源と作用するサイクル：第 2 法則の言葉による表現

4・5 エントロピー

4・5・1 状態量としてのエントロピーの定義･･････････････････････････････････････････････････････････
････

58

･･･････････････････････････････

60････････････････････････････

60･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

61

4・5・2 閉じた系のエントロピーバランス（不可逆過程におけるエントロピー生成）
4・5・3 開いた系のエントロピーバランス：開いた系の第 2 法則
4・5・4 第 2 法則とエントロピーおよびエントロピー生成のまとめ
4・6 エントロピーの利用

56

4・6・1 エントロピー変化の式：TdS の関係式･･･････････････････････････････････････････････････････

61

4・6・2 理想気体のエントロピー変化･･･････････････････････････････････････････････････････････････････

62････････････････････････････････････････････････････････････････

63

4・6・3 液体，固体のエントロピー変化･･･････････････････････････････････････････････････････

63････････････････････････････････････････････････････････････････････････

64

4・6・4 蒸気表によるエントロピー変化の計算
4・6・5 エントロピー生成の計算*･･･････････････････

67･･････････････････････････････････････････････････････････････････

69･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

69

4・6・6 エントロピーを含んだ線図，グラフィカルなエントロピーの利用

第5章

エネルギー有効利用とエクセルギー

5・1 エクセルギー解析の必要性

5・1・1 第 2 法則からエクセルギーへ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

70･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

70

5・2 仕事を発生する潜在能力：最大仕事の考え方
5・2・1 最大仕事69･･････････････････････････････････

72･････････････････････････････････････････････････････････････････････････

72

b. 熱のエクセルギー････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

73c. 化学エクセルギー････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

74

5・2・2 周囲がエクセルギー（エネルギー変換）に与える影響
a. 体積変化によるエクセルギー･･････････････････････････････････････････････････････････

74･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

75

5・2・4 エクセルギー効率･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

75

5・3 様々な系のエクセルギー･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

77d. エクセルギー計算のための標準周囲状態
5・2・3 エクセルギーの基礎まとめ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

77･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････

77････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

80

5・3・1 熱源の熱を利用する系
5・3・2 閉じた系（非流動過程）
5・3・3 定常流動系････････････････････････････････････････････････････････････････････････

81･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

81

5・3・4 物質移動のある開いた系*
5・4 自由エネルギー

5・4・1 ギブス自由エネルギー･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

5・4・2 ヘルムホルツ自由エネルギー････････････････････････････････････････････････････････････････････

83････････････････････････････････････

84･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

85

5・4・3 平衡条件と自由エネルギー（化学反応の進む方向）*
5・5 エクセルギー損失*

81･････････････････････････････････････････････････････････････････

85

熱力学の一般関係式･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

89

6・1 熱力学の一般関係式･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

89

5・5・1 不可逆過程とエクセルギー損失

第6章･･･････････････････････････････････････････････････････････････

91･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

93

6・2 エネルギー式から導かれる一般関係式
6・3 比熱に関する一般関係式･･････････････････････････････････････････････････････

96･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

97

6・4 内部エネルギーとエンタルピーの一般関係式
6・5 ジュール・トムソン効果

････････････････････････････････････････････････････････････

99･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

103

6・6 相平衡とクラペイロン・クラウジウスの式

第7章

化学反応と燃焼7・1 化学反応・燃焼と環境問題･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

103

7・2 化学反応とエネルギー変換･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

105

7・2・1 反応熱と標準生成エンタルピー･････････････････････････････････････････････････････････････････

7・2・2 化学反応のギブス自由エネルギー変化････････････････････････････････････････････････････････

109･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

111

7・3・1 反応速度*･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

112･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

112･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

113

7・3・3 化学平衡の条件
7・3・4 平衡定数･･･････････････････････････････････････････････････････････

115･･････････････････････････････････････････････････････････････

117･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

119････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

119

7・3・5 化学平衡に及ぼす圧力と温度の影響
7・3・6 一般的な場合の平衡組成の求め方
7・3・7 平衡定数の諸注意

7・4・1 燃料･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

7・4・2 燃焼の形態････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

7・4・3 燃焼の反応機構*････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

120･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････

123･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

124･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

127････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

131

7・4・7 燃焼とエネルギー変換

ガスサイクル120

122

7・4・5 燃焼のエネルギーバランス
7・4・6 理論火炎温度120･･････････････････････････････････････････････････････････････

7・4・4 空燃比，燃空比，空気比，当量比

第8章

111

････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

7・3・2 反応速度と化学平衡

7・4 燃焼107･････････････････････････････････････････

7・2・3 標準生成ギブス自由エネルギーとエネルギー変換
7・3 化学平衡105

8・1 熱機関とサイクル･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

134･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

134････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

136･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

137

8・2 ピストンエンジンのサイクル
8・2・1 オットーサイクル
8・2・2 ディーゼルサイクル
8・2・3 サバテサイクル

131････････････････････････････････････････････････････････････････････

138･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

138

8・2・4 ピストンエンジンの燃焼解析
8・2・5 スターリングサイクル･････････････････････････････････････････････････････････････････････

139････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

140

8・3 ガスタービンエンジンのサイクル
8・3・1 ブレイトンサイクル

8・3・2 ブレイトン再生サイクル･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････

141

8・3・3 エリクソンサイクル････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

142････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

142････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

147･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

147

8・3・4 ジェットエンジンのサイクル
8・4 ガス冷凍サイクル

第9章

蒸気サイクル

9・1 蒸気の状態変化

142･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

147･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

148

9・1・1 相平衡と状態変化
9・1・2 湿り蒸気の性質･････････････････････････････････････････････････････････

149･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

149

9・2 相平衡とクラペイロン・クラウジウスの式
9・2・1 相平衡の条件

9・2・2 多成分混合物質の二相平衡*･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

151････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

152

9・2・3 クラペイロン・クラウジウスの式
9・3 実在気体の状態方程式････････････････････････････････････････････････････････････････････

152････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

154･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

154

9・3・1 ファン・デル・ワールスの式
9・3・2 実用状態方程式*
9・4 蒸気原動機サイクル

150･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

155

9・4・2 再熱サイクル･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

157

9・4・3 再生サイクル･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

158

9・4・4 複合サイクル･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

159

9・4・1 ランキンサイクル

第 10 章････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

163･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

163

冷凍サイクルと空気調和

10・1 冷凍の発生･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

163･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

163･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

164

10・1・1 可逆断熱膨張
10・1・2 絞り膨張
10・2 動作係数

10・3 各種冷凍サイクル･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

10・3・1 逆カルノーサイクル･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

165
165

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165

10・3・3 吸収冷凍サイクル*････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

168

10・3・4 空気冷凍サイクル*････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

170･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

170･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

171

10・3・2 蒸気圧縮式冷凍サイクル

10・3・5 液化サイクル*
10・4 空気調和

10・4・1 湿り空気の性質
10・4・2 湿り空気線図････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

171･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････

173