熱機関｜熱エネルギーを仕事に変換する装置

熱機関

熱機関とは熱をエネルギーを動力として、自動車のエンジンのように機械的な仕事に変換している機械のことをいう。燃料を燃焼させて、その熱エネルギーを機械エネルギーに変換する機関である。蒸気機関、ガソリン機関、ディーゼル機関、ロケット、火力発電、飛行機など社会に欠かせない機械になっている。

Topic

熱機関とは、熱を力学的エネルギーに変換する機関のことである。このエネルギーを熱エネルギーといい、熱機関は、熱エネルギーを利用して外に仕事を行うエネルギーである。

作業物質とは、熱機関に利用される物質をいい、カルノーサイクルなどの熱機関モデルを考えるときは理想気体を扱うことが多い。Wを熱機関が行う仕事とすると、高温熱源から排出されるQ1がCにいき、仕事Wを行い、熱量Q2が低温熱源へ放出されるである。

熱機関とは、熱エネルギーをすべて仕事に変換することはできる永久機関は存在せず必ず損失が発生する。(熱力学第二法則)熱機関は効率によって示され、より効率のよい熱機関を開発することが重要である。

熱は外部に何らの変化を残さずに低温から高温へ移動しない。（クラウジウスの原理）

熱は外部に何らの変化を残さずに力学的な仕事に変わらない。(トムソンの原理)

可逆機関とは、可逆サイクル（カルノーサイクルのように、状態変化はすべて可逆過程であると仮定する）で構成される機関である。一方で、不可逆サイクルで構成される熱機関を不可逆機関という。可逆機関は想像上の理想的な熱機関で現実に存在しない理論的なモデルである。

高温熱源(温度 T1) と低温熱源(温度 T2) との間で働く任意のサイクルをCとするとき、このCが1サイクルの間に高温熱源から熱量Q1, 低温熱源から熱量Q2を吸収したとすれば下記が成立するが、これをクラウジウスの式という。