物質を選ぶ気体比熱計算

このページは、酸素、窒素、水素、二酸化炭素、アルゴン、ヘリウムの純ガスについて、NIST Chemistry WebBookのShomate式から入力温度の標準モル定圧熱容量 Cp° を計算します。表から一つの代表値を返すのではなく、物質、温度区間、使用係数、分子量、換算基準を結果と一緒に残します。

この計算へ進める条件

次の条件をすべて確認できる場合だけ進みます。

• 選択した純物質の単一気相である
• 求めたい量が標準理想気体の標準モル定圧熱容量Cp°、またはその質量基準換算値である
• 入力温度が、その物質のNIST公開区間内にある
• 混合物、高圧実在気体、液体、固体、二相、反応・解離条件ではない

ツールは温度範囲と確認欄の選択を検査しますが、圧力・組成の入力欄はなく、相や高圧実在気体への該当を自動判定しません。上記の条件を資料で確認できなければ、確認済みを選ばず計算を進めないでください。

物質ごとの温度区間

採用しているNIST気相Shomate係数の区間は次のとおりです。物性値の一覧ではなく、入力温度にどの係数が対応するかを探すための範囲です。

• 酸素: 100〜700 K、700〜2000 K、2000〜6000 K
• 窒素: 100〜500 K、500〜2000 K、2000〜6000 K
• 水素: 298〜1000 K、1000〜2500 K、2500〜6000 K
• 二酸化炭素: 298〜1200 K、1200〜6000 K
• アルゴン・ヘリウム: それぞれ 298〜6000 K の1区間

298 K は 24.85 ℃ です。水素・二酸化炭素・アルゴン・ヘリウムでは20 ℃を受け付けません。下限を25 ℃へ丸めず、境界を調べるときは温度単位にKを選んで照合できます。係数の温度区間は、対象がその温度で単一気相・非反応状態にあることを保証するものではありません。

使用するShomate式

Cp° = A + B t + C t^2 + D t^3 + E / t^2
t = T(K) / 1000

Cp° は標準モル定圧熱容量で、単位は J/(mol K) です。A〜Eは選択物質と温度区間に対応するNIST掲載値を使います。質量基準の定圧比熱をここでは cp と書き、Cp° [J/(mol K)] / M [g/mol] の数値を J/(g K) = kJ/(kg K) として表示します。J/(kg K) を選ぶ場合は、この数値の1000倍です。

温度区間の境界をどう扱うか

NISTの係数表では、例えば窒素の100〜500 Kと500〜2000 Kのように境界を共有する区間があります。CalcChemでは二重解釈を避けるため、内部境界ちょうどではその温度から始まる高温側区間を選びます。最終区間の上限だけは計算対象に含めます。

結果の「使用係数区間の下限」「使用係数区間の上限」と補足の係数を確認してください。上限の表示だけで、その境界に低温側係数を使ったとは判断しません。原典を照合するときは、ページ末尾の「参考資料と確認範囲」から対象物質のNISTページを開き、「Gas Phase Heat Capacity (Shomate Equation)」の温度区間を確認します。

点Cp°と温度区間の顕熱は分ける

このページが返すのは、入力した一つの温度での Cp° と、その質量基準換算値 cp です。定圧の顕熱を一定熱容量で概算する式は、基準に応じて次のように分けます。

質量基準: Qp [kJ] = m [kg] * cp [kJ/(kg K)] * ΔT [K]
モル基準: Qp [J] = n [mol] * Cp° [J/(mol K)] * ΔT [K]

一点の値を全区間で一定とみなせるとは限りません。25 ℃から800 ℃までの加熱で25 ℃の値だけを固定すれば、熱容量の温度依存を落とします。広い温度差では、Shomate式のエンタルピー項またはモル基準の Cp°(T) の積分を確認してください。このツール自体は積分や相変化・反応・解離の計算を行いません。

顕熱量計算へ進むのは、同一相・非反応かつ一定値近似を採用できると確認した場合です。「定圧の近似」を選び、質量基準なら cp を「質量基準の比熱容量 c」へ、モル基準なら Cp° を「モル基準の熱容量 C_m」へ、出力単位とともに移します。

利用者が採用を止める条件

以下は入力からの自動検知結果ではなく、用途を照合するための判断例です。

表は横にスクロールできます。

密度・粘度も必要なとき

この6純ガスは気体密度計算でも選べますが、温度に加えて絶対圧とZの根拠が必要です。気体粘度計算は水素に対応せず、他の5物質も温度・圧力の上下限が物質別に異なります。Cp°を計算できた温度範囲が、そのまま密度や粘度の適用範囲になるわけではありません。

値、単位、入力温度、使用係数区間、純物質・単一気相の確認元は、ワークフローの転記メモにまとめます。リンク先へ条件や確認済みの選択は引き継ぎません。