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第10章 　化学エネルギーから熱エネルギーへの変換 Conversion from Chemical-Energy to Thermal-Energy 10?1　燃料の化学エネルギー(chemical energy of fuel) （1）発熱量(combustion heat) ここでは化石燃料（fossil fuel））petroleum)，および石炭(coal)がある．またその他の燃料として図10.1にあるようにバイオマス(biomass)および種々の原料から製造される合成燃料(synthetic fuel)もある． 一般に燃料［F］）） となる．ここで⊿Hは発熱量(combustion heat)であり，一般に単位量当たりの熱量で示されている．化石燃料の主成分は炭素と水素の化合物(chemical compound)であるため，生成物は水と二酸化炭素になる．したがって，図10.2に示すように酸化剤および水素と炭素の化合物としての燃料の生成熱(heat of formation)と燃焼により生成される水と二酸化炭素の生成熱の総和との差が発熱量である． 化学エネルギー(chemical energy)から熱エネルギー(thermal energy)へのエネルギー変換(energy conversion)を燃焼(combustion)により行うことは，反応系の分子と生成系の分子の，両者の生成熱の落差を顕熱(sensible heat)として取り出すことである．言い換えれば，炭化水素系燃料を構成する炭素原子や水素原子などが，共有結合(covalent bond)により燃料分子になるときに獲得した化学エネルギー（生成熱）を，酸化によって解放し，酸化物の共有結合エネルギーとして一部は生成系内に残し，残りを顕熱として系外に取り出すことである． 水素が燃焼する場合では水が生じるが，生じた水の状態により水の生成熱が異なるため，水素の発熱量は以下のように表される． ここで低位発熱量(lower combustion heat)は燃焼により水蒸気が生成される場合であり，高位発熱量(higher combustion heat)は燃焼により水（液体）が生じる場合である．したがって両発熱量の差は水の潜熱である．炭化水素系の燃料の燃焼では水以外にＣＯ2も生成されるが，通常は気体であるため，燃料の高位と低位の発熱量の差は生成物中の水の状態により定まる．燃焼炉や熱機関では，燃焼生成物を気体状態で排出する場合が一般的であるので，低位発熱量を用いることが多い．燃焼による材料合成の場合では燃焼生成物が固体になる場合（図10.2）もある． 　炭素の燃焼では燃焼により二酸化炭素の生じる場合と一酸化炭素が生じる場合があり，それぞれ で表される．燃料中にはイオウ分を含む場合もあるが，イオウの発熱量は以下の通りである． 　炭素やイオウなどは固体であるため，その発熱量の測定は一定の質量の試料を燃焼させた場合の発生熱を水に吸収させ，その温度上昇から算出する．図10.3は，JIS　K　2279-1985　に規定されている断熱式ボンベ熱量計であり，図10.4はその内部構造である．試料は図10.4中の試料皿⑩に置かれ，酸素雰囲気中で点火潜?で電気的に着火される．燃料により発生する温度上昇とあらかじめ求めておいた装置全体の水当量から温度を算出する．ここで装置全体は常温付近で作動させ，燃焼によって生成した水は液体状態で装置の内壁に付着するので，測定の結果得られる発熱量は高位発熱量である．この装置は純粋物質の発熱量の測定だけでなく，石炭等の多くの固体可燃物の発熱量の測定に用いられている． 　各種の燃料の発熱量は，燃料中の元素分析が行われ，ｃ：炭素，ｈ：水素，ｓ：イオウ，ｗ：水分の含有量［ｋg］が既知であれば，つぎのデューロンの経験式により，高位発熱量Ｈh［MJ/ｋg］と低位発熱量Ｈl［MJ/ｋg］を推算することが可能である． 　表10.1は種々の燃料の発熱量を示したものである．単位質量あたりの発熱量としては水素が高い値を示すが，液体状態としても水素の密度は低いため，エネルギー輸送や貯蔵の面からは必ずしも有利な燃料とはいえない． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　表10.1　燃料の発熱量 （2）当量比(equivalence ratio) 燃料と酸化剤が過不足なく供給され混合している状態を量論混合気(stoichiometiric mixture)またその状態での燃焼を量論燃焼(stoichiometirc combustion)という．メタン－酸素の燃焼における量論燃焼は， と表される．またメタン－空気の燃焼で