熱機関：定義、タイプ、例

熱機関はあなたの周りにあります。 運転する車から、食べ物を涼しく保つ冷蔵庫、家の冷暖房システムまで、すべて同じ主要な原則に基づいて機能します。

熱機関の目標は、熱エネルギーを有用な仕事に変換することであり、これを行うために使用できるさまざまなアプローチがあります。 熱機関の最も単純な形式の1つは、フランスの物理学者ニコラにちなんで名付けられたカルノーエンジンです。 Leonard Sadi Carnotは、断熱と等温に依存する理想的な4段階のプロセスを中心に構築されています ステージ。

しかし、カルノーエンジンは熱機関の一例に過ぎず、他の多くのタイプも同じ基本的な目標を達成しています。 熱機関がどのように機能するか、そして熱機関の効率を計算するなどの方法を学ぶことは、熱力学を研究する人にとって重要です。

熱機関は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する熱力学システムです。 多くの異なる設計がこの一般的な見出しに該当しますが、ほとんどすべての熱機関にいくつかの基本的なコンポーネントがあります。

熱機関には、熱浴または高温熱源が必要です。これらは、さまざまな形態をとることができます（たとえば、 原子炉は原子力発電所の熱源ですが、多くの場合、燃焼燃料は熱として使用されます ソース）。 さらに、低温のコールドリザーバーとエンジン自体が必要です。エンジン自体は通常、熱が加えられると膨張するガスです。

エンジンは高温のリザーバーから熱を吸収して膨張します。この膨張プロセスは環境に作用するものであり、通常はピストンで使用可能な形に利用されます。 次に、システムは熱エネルギーをコールドリザーバーに放出し、初期状態に戻します。 その後、このプロセスは、有用な作業を継続的に生成するために、周期的に何度も繰り返されます。

熱力学サイクルまたはエンジンサイクルは、ほとんどの熱機関に共通の周期的な方法で機能する多くの特定の熱力学システムを説明する一般的な方法です。 熱力学的サイクルで動作する熱機関の最も単純な例は、カルノーエンジンまたはカルノーサイクルに基づいて動作するエンジンです。 これは、可逆プロセス、特に断熱および等温の圧縮と膨張のみを含む理想的な形式の熱機関です。

すべての内燃機関はオットーサイクルで動作します。オットーサイクルは、燃料の点火を使用してピストンの仕事をする別のタイプの熱力学的サイクルです。 第1段階では、ピストンが降下して混合気がエンジンに引き込まれ、第2段階で断熱的に圧縮され、第3段階で点火されます。

温度と圧力が急激に上昇し、排気バルブが開く前に断熱膨張によってピストンに作用し、圧力が低下します。 最後に、ピストンが上昇して消費ガスを取り除き、エンジンサイクルを完了します。

別のタイプの熱機関はスターリングエンジンです。スターリングエンジンには、プロセスのさまざまな段階で2つの異なるシリンダー間を移動する一定量のガスが含まれています。 最初の段階では、ガスを加熱して温度を上げ、高圧を生成します。これにより、ピストンが動き、有用な仕事が提供されます。

次に、ピストンが上昇してガスを2番目のシリンダーに押し込み、そこで冷気によって冷却されます。 再び圧縮される前のリザーバー、以前に生成されたよりも少ない作業で済むプロセス ステージ。 最後に、ガスは元のチャンバーに戻され、スターリングエンジンのサイクルが繰り返されます。

熱機関の効率は、熱または熱エネルギー入力に対する有用な仕事量の比率であり、 熱エネルギーと仕事量の両方がで測定されるため、結果は常に0から1の間の値であり、単位はありません。 ジュール。 これは、完璧熱機関の場合、効率は1で、すべての熱エネルギーを使用可能な仕事に変換します。 半分を変換できた場合、効率は0.5になります。 基本的な形式では、式は次のようになります。 書かれた：

もちろん、熱力学の第2法則では、閉鎖系は時間の経過とともにエントロピーが増加することが規定されているため、熱機関の効率を1にすることは不可能です。 これを理解するために使用できるエントロピーの正確な数学的定義がありますが、 どのプロセスにも固有の非効率性があると、通常は廃棄物の形でエネルギーがいくらか失われると考えてください。 熱。 たとえば、エンジンのピストンには間違いなくその動きに逆らって作用する摩擦があります。つまり、システムは熱を仕事に変換する過程でエネルギーを失います。

熱機関の理論上の最大効率は、カルノー効率と呼ばれます。 この式は、高温の貯水池の温度に関連していますT​_H と冷たい貯水池T​_C 効率に（η）エンジンの。

答えをパーセンテージで表現したい場合は、この結果に100を掛けることができます。 これが理論的最大–実際のエンジンが実際にカルノーの効率に真に近づく可能性はほとんどありません。

注意すべき重要なことは、高温リザーバーと低温リザーバーの間の温度差を大きくすることによって、熱機関の効率を最大化することです。 自動車エンジンの場合、T​_H は燃焼時のエンジン内部のガスの温度であり、T​_C それらがエンジンから押し出される温度です。

蒸気エンジンと蒸気タービンは、熱機関の最もよく知られた例の2つであり、 蒸気機関の発明は、の工業化における重要な歴史的出来事でした。 社会。 蒸気エンジンは、これまでに説明した他の熱機関と非常によく似た方法で機能します。ボイラーが水を回します ピストンを含むシリンダーに送られる蒸気に、そして蒸気の高圧は シリンダー。

蒸気は熱エネルギーの一部をシリンダーに伝達し、その過程で冷却され、ピストンが完全に押し出されると、残りの蒸気がシリンダーから排出されます。 この時点で、ピストンは元の位置に戻ります（蒸気が他の位置に送られることもあります） ピストンの側面も押し戻すことができるように）、そして熱力学的サイクルはより多くの蒸気で再び始まります。

この比較的シンプルなデザインにより、お湯を沸かすことができるものなら何でも大量の有用な作品を生み出すことができます。 この設計の熱機関の効率は、蒸気の温度と周囲の空気の温度の差に依存します。 蒸気機関車は、このプロセスで作成された作業を使用して、車輪を回し、列車を推進します。

蒸気タービンは、ピストンを動かす代わりにタービンを回す作業になることを除いて、非常によく似た方法で機能します。 これは、蒸気によって回転運動が発生するため、電気を生成するのに特に便利な方法です。

内燃機関は、上記のオットーサイクルに基づいて作動し、ガソリンエンジンには火花点火を使用し、ディーゼルエンジンには圧縮点火を使用します。 これらの主な違いは、混合気が点火され、混合気が圧縮されてから点火される方法です。 ガソリンエンジンで物理的に点火され、ディーゼルエンジンで圧縮空気に燃料が噴霧されて、 温度。

これとは別に、オットーサイクルの残りの部分は前述のように完了します。燃料はエンジンに引き込まれます（または空気だけが ディーゼル）、圧縮、点火（燃料の火花とディーゼルの高温の圧縮空気への燃料の噴霧による）、これは使用可能な作業を行います 断熱膨張によりピストンにかかると、排気バルブが開いて圧力が低下し、ピストンが押し出します。 使用済みガス。

ヒートポンプ、エアコン、冷蔵庫はすべて、熱サイクルの形で機能しますが、熱エネルギーを逆にするのではなく、仕事を使用して移動させるという異なる目標があります。 たとえば、ヒートポンプの加熱サイクルでは、冷媒は温度が低いため（熱があるため）、外気から熱を吸収します。常に高温から低温に流れます）、次にコンプレッサーに押し込まれて圧力を上げ、温度を上げます。

次に、この高温の空気は、加熱される部屋の近くの凝縮器に移動され、同じプロセスで部屋に熱が伝達されます。 最後に、冷媒はバルブに移動し、圧力を下げて温度を下げ、次の加熱サイクルの準備をします。

冷却サイクル（空調ユニットや冷蔵庫など）では、プロセスは基本的に逆に実行されます。 冷媒は、室内（または冷蔵庫内）から熱エネルギーを吸収します。 低温になり、コンプレッサーに押し込まれて圧力を上げ、 温度。

この時点で、部屋の外（または冷蔵庫の後ろ）に移動し、そこで熱エネルギーがより冷たい外気（または周囲の部屋）に伝達されます。 次に、冷媒はバルブを介して送られ、圧力と温度が下がり、次の加熱サイクルが読み取られます。

これらのプロセスの目標はエンジンの例とは逆であるため、ヒートポンプや冷凍機の効率の表現も異なります。 ただし、これは形式的にはかなり予測可能です。 暖房用：

そして冷却のために：

どこQ用語は、部屋に移動した（H添え字を使用）および部屋から移動した（C添え字を使用）熱エネルギーを表します。W​_に 電気の形でシステムに入力される仕事です。 繰り返しますが、この値は0から1までの無次元数ですが、必要に応じて、結果に100を掛けてパーセンテージを取得できます。

発電所や発電所は、原子炉を使用して熱を発生させるか、燃料を燃焼させることによって熱を発生させるかにかかわらず、実際には熱機関の単なる別の形態です。 熱源はタービンを動かすために使用され、それによって機械的な仕事をします。多くの場合、温水からの蒸気を使用して蒸気タービンを回転させ、上記の方法で電気を生成します。 使用される正確なヒートサイクルは発電所によって異なりますが、ランキンサイクルが一般的に使用されます。

ランキンサイクルは、熱源が水の温度を上げることから始まり、次に水蒸気の膨張が タービン、続いて凝縮器での凝縮（プロセスでの廃熱の放出）、冷却水が ポンプ。 ポンプは水の圧力を上げ、さらに加熱する準備をします。