熱力学|物理,工学

熱力学

熱力学とは現象を温度や熱という観点から取り扱って、体系化した学問である。第ゼロ法則から第3法則までの四つの基本原理の上に学問体系が築かれている。熱力学は、蒸気の有効利用、熱機関のサイクル論に基づく熱効率向上、伝熱、燃焼などの用途で生かされ、ガスタービンやディーゼルエンジン、ガスタービン、蒸気タービンが作られている。

熱力学
熱力学

目次

温度と熱

温度とはモノの暖かさや冷たさを定量的に表す尺度である。熱力学では、絶対温度、T[K](ケルビン)が用いられている。

熱量の定義

標準大気圧(760mmHg)のもとで質量1kgの純粋の温度を1℃上昇させるのに要する熱量を1kcal(キロカロリー)という。SI単位系ではJ(ジュール)、kJ(キロジュール)の単位で表され、1kcal=4.187kJと定義される。またフィート・ポンド単位系では、Btu(British thermal unit)と定義され、1Btu=0.252kcalである。

比熱

比熱(specific heat)とは、質量1kgの物体の温度を1℃(あるいは1K)上昇させるのに、物体の種類により、必要な熱量が異なることである。記号は小文字のc(kJ/kg・K)で表される。比熱を実際の経験にに要するとき、対称とする温度範囲での平均比熱(mean specific heat)を用いる。

圧力

圧力とは、面積A[m2]に力F[ニュートン]が働けば、圧力p=F/A[N/m2](パスカル)である。

仕事

力F[N]あるいは[kgf]に抗してx[M]だけ物体を動かしたとき、L(仕事)=Fx[N・m]の関係にある。単位時間当たりの仕事を動力(power)といい、単位は[W](ワット)、[PS](馬力)などを用いる。

熱力学第ゼロ法則

第ゼロ法則:二つの物体AとBの温度を同じ温度計で測定した時に、温度計の値が同じならば物体AとBの温度は等しい。

熱力学第一法則

第1法則:熱と仕事はともにエネルギーの一つであり、互いに変換が可能である。すなわち、エネルギー保存則が成立するため、エネルギーを補給しないで永久に働き続ける機関(第1種の永久機関)の実現は不可能である。

熱力学第二法則

第2法則:熱と仕事の相互の変化には、一定の方向性がある。熱は温度の高いところから低いところへ流れるが、逆方向には流れない。もらった熱をすべて仕事に換えつつも元の状態に戻り繰り返し運転でき、低温源を必要としない機関(これを第2種の永久機関)の実現は不可能である。

熱力学第三法則

第3法則:物体の温度は絶対零度以下には下がらない。


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