潜熱と顕熱とは?潜熱と顕熱の違いは?

潜熱と顕熱とは?潜熱と顕熱の違いは?【演習問題】

 

リチウムイオン電池における解析として、電池の正極材や負極材のキャラクタリゼーションをしりたいのであればXRDであったり、SEMであったりを使用し、熱に関する物性を知りたいのであればTGであったりDSCなどを使用して、欲しい情報を得ることが基本です。

 

熱物性を解析する際にその基礎用語を理解しておくことは重要であり、その中でも「潜熱と顕熱の違い」について解説していきます。

 

・潜熱と顕熱とは?潜熱と顕熱の違いは?

 

・潜熱・顕熱に関する計算問題を解いてみよう【演習問題】

 

というテーマで解説していきます。

 

 

潜熱と顕熱とは?潜熱と顕熱の違いは?

 

ある物質を熱したり冷やしたりする際の熱の種類は2種類あり、潜熱(せんねつ)と顕熱(けんねつ)と呼びます。

 

潜熱とは熱したり冷やしたりする際に温度は変化せず、物質の状態変化のみが起こる際の熱のことを指します。

 

物質の状態変化とは、蒸発やその逆の凝縮であたり、凝固やその逆の融解が挙げられます。
各々の状態変化における潜熱のことを、語尾に潜熱とつけることによって「蒸発潜熱」「凝縮潜熱」「凝固潜熱」「融解潜熱」と表現します。

 

一方で顕熱の方は、潜熱とは熱したり冷やしたりする際に物質の状態は変化せず、温度変化のみが起こる際の熱のことを指します。

 

各々の状態変化が起こるまでの区間における温度変化が起こる際の熱が顕熱に相当します。例えば、0℃付近で氷が融け水になった後、蒸発がおこる100℃までは、状態は水のままで温度のみの変化が起こります。

 

この温度変化を伴う際にかけた熱が顕熱です。

 

そして、潜熱と顕熱を足し合わせたものが反応熱(エンタルピー)にあたります。

 

潜熱、顕熱、エンタルピーの関係を水の状態変化の図(下図)を用いて確認していきます。

 

 

ちなみに、水の蒸発潜熱(凝縮潜熱)は2257 kJ/kgであり、0℃から100℃における顕熱は 418kJ/kgであり、融解潜熱(凝固潜熱)は336kJ/kgです。

 

潜熱の状態は電極材にリン酸鉄リチウムを使用のリチウムイオン電池における充放電曲線のプラトー領域(二相共存反応が発生)のようなイメージをするとわかりやすいです。

 

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潜熱に関する計算問題【演習問題】

 

潜熱・顕熱とエネルギーに関係する問題については以下の通りです。以下の例題で求め方を考えていきましょう。

 

例題

 

100gの水を、40℃の水(お湯)を100℃まで上げ、そこから蒸発させるために必要なエネルギーを計算してみましょう。水の比熱は4.184J/gを使用しましょう。水の蒸発潜熱は2257 J/gを使用しましょう。

 

解答

 

40℃から100℃に上がるまでは顕熱を考慮し、100℃から蒸発するには水の蒸発潜熱を考慮します。

 

顕熱の計算には、比熱の計算式として有名な mC⊿Tを利用します。

 

つまり、 Q顕 = 100 × 4.184 × (100 - 40) = 25.1kJ となります。

 

次に蒸発に必要な熱量は、蒸発潜熱 × 質量で計算できます。

 

つまり、2257 × 100 = 225.7kJが蒸発に必要なエネルギーとなります。

 

最後に潜熱分と顕熱分のエネルギーをたすと

 

250.8kJが温度変化(顕熱)と蒸発(潜熱)で必要なことがわかります。

 

 

 

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