Chemistry Labs

問題 1

新しい冷媒と忘れられた古い冷媒。モデル冷凍サイクルで冷媒を熱力学的に比較する：液体冷媒が定圧 p1p_1・温度 T1T_1 で沸騰し（熱 QQ を吸収）、蒸気を可逆断熱圧縮して T2T_2 まで昇温し（仕事 WW）、定圧 p2p_2 で冷却して初期状態に戻る。冷媒 1 mol、T1=280T_1 = 280 K、T2=380T_2 = 380 K、蒸気は理想気体とする：NHX3\ce{NH3} — ΔHvap=21.3\Delta H_{vap} = 21.3 kJ mol−1^{-1}、CV(気)=26.7C_V(\text{気}) = 26.7 J K−1^{-1} mol−1^{-1}；CHFX2Cl\ce{CHF2Cl} — 20.020.0 kJ mol−1^{-1}・48.848.8 J K−1^{-1} mol−1^{-1}；CFX3CHX2F\ce{CF3CH2F} — 22.122.1 kJ mol−1^{-1}・7979 J K−1^{-1} mol−1^{-1}；CFX3CF=CHX2\ce{CF3CF=CH2} — 19.119.1 kJ mol−1^{-1}・120120 J K−1^{-1} mol−1^{-1}。(a) NHX3\ce{NH3} と CHFX2Cl\ce{CHF2Cl} の QQ と WW を計算せよ。(b) 成績係数 COP=Q/WCOP = Q/W を両冷媒について計算せよ。(c) CFX3CHX2F\ce{CF3CH2F} と CFX3CF=CHX2\ce{CF3CF=CH2} の COP を計算せよ。CHFX2Cl\ce{CHF2Cl} に比べて効率は向上したか。
ステップ 2/4: 断熱圧縮の仕事
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W=CV(gas)(T2−T1):W(NHX3)=26.7×100=2.67 kJ,W(CHFX2Cl)=48.8×100=4.88 kJW = C_V(\text{gas})(T_2 - T_1): \quad W(\ce{NH3}) = 26.7 \times 100 = 2.67\ \text{kJ},\quad W(\ce{CHF2Cl}) = 48.8 \times 100 = 4.88\ \text{kJ}
分析

理想気体の断熱過程では q=0q = 0 なので圧縮仕事は内部エネルギー増加に等しい：W=CV(T2−T1)=CV×100W = C_V(T_2 - T_1) = C_V \times 100 K、2.67 kJ（NHX3\ce{NH3}）、4.88 kJ（CHFX2Cl\ce{CHF2Cl}）。