エンタルピーとは：定義・式・単位・熱力学での役割

エンタルピーとは：基礎から式・単位、熱力学での役割まで図解でわかりやすく解説。内部エネルギーとPV仕事の関係も実例で理解

エンタルピーとは、科学や工学において、熱や仕事を計算する必要があるときに使われる概念です。エンタルピーという名前は、「熱を入れる」という意味のギリシャ語「enthalpos」（ενθαλπος）に由来する。1909年にオランダの科学者であるハイケ・カメルリン・オンネスが考案した言葉である。

一定の圧力下で物質が変化したとき、物質にどれだけの熱や仕事が加わったか、あるいは取り除かれたかを示すのがエンタルピーです。

エンタルピーはエネルギーと似ていますが、同じではありません。物質が大きくなったり小さくなったりするとき、エネルギーが使われたり放出されたりします。エンタルピーはこのエネルギーを計算します。そのため、科学者はエネルギーの変化ではなく、エンタルピーの変化を計算することが多い。

一定量の気体が入っている系を考えます。この系に入る熱エネルギーはすべて

1) ガスの内部エネルギーを高める

または

2) システムを拡張するために何らかの作業が行われる。行われる仕事は、圧力と体積の積である。エンタルピーはこの2つの要素を考慮に入れているため、以下のようになります。

定義と式

エンタルピー Hは内部エネルギー U と圧力 p と体積 V の和として定義されます。

H = U + pV

ここで、U は系の内部エネルギー（熱的なエネルギー）、pV は系が外部に対して行う膨張仕事に対応する項です。閉じた系や単相系で広く使われます。

微分形と定圧過程の関係

微小変化で表すと

dH = dU + p dV + V dp

熱・仕事の第一法則（閉じた系） dU = δQ − p dV を代入すると、

dH = δQ + V dp

したがって、圧力が一定（dp = 0）の過程では、系に与えられた熱 δQ はエンタルピーの変化 dH に等しくなります：

δQ_p = dH

比エンタルピー・モルエンタルピー

• 比エンタルピー（specific enthalpy） h = H/m：単位質量あたりのエンタルピー（単位 J/kg）。
• モルエンタルピー（molar enthalpy） H_m = H/n：1モルあたりのエンタルピー（単位 J/mol）。

熱容量との関係

定圧熱容量 Cp はエンタルピーの温度微分として表されます：

Cp = (∂H/∂T)_p

したがって、圧力一定で温度変化に伴うエンタルピー変化は

ΔH = ∫ Cp dT

となります（Cp が温度の関数である場合は積分で求めます）。

化学反応での役割（反応エンタルピー）

化学反応におけるエンタルピー変化 ΔH_rxn は、反応が放出する熱または吸収する熱を示します。標準状態での反応エンタルピーは 標準生成エンタルピー ΔH_f° を用いて反応物と生成物の差から求められます。

ヘスの法則により、反応経路に依存せずエンタルピー変化は足し合わせで求められるため、実験値や標準データから容易に計算できます。

開放系・流れ体系での利用

タービン、ポンプ、熱交換器、バルブなどの装置が関わる工学系では、流体の流れエネルギーを扱うためにエンタルピーが便利です。定常流れにおけるエネルギー収支では、流体のエンタルピー（しばしば比エンタルピー h）が主要な項になります。

例：絞り（スロットリング）や圧力低下を伴う断熱の絞り過程はほぼ等エンタルピー（断熱かつ仕事を外部にしないためエンタルピー一定）で扱われます（等エンタルピー過程）。

単位と測定

• 国際単位系（SI）：ジュール（J）。
• 比エンタルピー：J/kg、モルエンタルピー：J/mol。
• 実験的には熱量計（熱量測定装置）や定圧加熱による熱流測定、または標準生成エンタルピーのデータベースを用いて求めます。

実用的な重要性

• 熱交換、ボイラー、冷凍サイクル、化学プロセスの設計・解析で中心的な量。
• 圧力一定の工程ではエンタルピー変化がそのまま熱の授受量になるため、計算が簡便。
• 反応熱の評価やエネルギー収支、装置効率の算出に不可欠。

まとめ

エンタルピーは、内部エネルギーと圧力×体積の和として定義され、特に定圧過程や流体の流れを伴う工学的問題で便利な熱的状態量です。ΔH は反応や加熱冷却での熱収支を直接表し、熱容量やヘスの法則と組み合わせることで多くの実問題に適用できます。

質問と回答

Q: エンタルピーとは何ですか?

Q:「エンタルピー」という名称はどこから来たのですか?

Q:「エンタルピー」という発想や言葉は誰が作ったのですか?

Q: エンタルピーはエネルギーとどう関係するのか?

Q: なぜ科学者はエネルギーの変化ではなく、エンタルピーの変化を計算することが多いのでしょうか?

Q: 熱エネルギーが、一定量の気体を含む系に入るとどうなるか?

Q: エンタルピーは圧力と体積の要因をどのように考慮するのですか?

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