カルノーエンジン

すべての標準的な熱機関 (蒸気、ガソリン、ディーゼル) は、ガスに熱を加えることによって作動します。ガスはシリンダー内で膨張し、ピストンを押してその機能を実行します。したがって、熱を仕事に変換する方法を理解するのは簡単ですが、それは 1 回限りのことです。有用なエンジンを手に入れるには、それを繰り返し続ける必要があります。最も単純な熱機関はカルノー エンジンとして知られています。カルノー サイクルは、加熱/冷却、膨張/収縮して元のガスの体積と温度に戻る 1 つの完全なサイクルです。

カルノー エンジンとは

カルノー エンジンは、カルノー サイクルに従って動作する熱機関です。カルノー サイクルは、熱機関が 2 つの貯水池 (高温と低温) の間で機能するときに熱を出力仕事に変換できる最大効率を推定します。 Nicolas Leonard Sadi Carnot は 1824 年に Carnot エンジンを作成しました。その作成者の名前から、このエンジンは Carnot エンジン (Sadi Carnot) として認識されています。

カルノー エンジンは、可逆的な機械的相互作用と熱的相互作用を利用するモデル エンジンです。このステートメントは、エントロピーを増大させることなく (エネルギーを失うことなく) 動きを完了し、元の状態に戻るエンジンの能力を反映しています。エンジンは、エネルギーを失うことなく初期状態に戻るために、サイクル全体で熱平衡状態にある必要があります。

カルノー エンジンの意味をよりよく理解するために、いくつかの用語について説明します。

• 機械的相互作用:摩擦によってエネルギーが低下しないため、機械的相互作用プロセス (Q =0) 中に熱伝達はありません。これは断熱プロセスとして知られています。

• 熱相互作用:熱相互作用プロセス中の熱伝達は非常に遅い (準静的)。これは、入力/出力とシステム熱の温度差がほぼ同じであることを意味し、熱伝達が無限に長い時間にわたって発生することを意味します。システムの固有温度は、熱相互作用の間、一定に保たれなければなりません。その結果、このプロセスは等温プロセスとして知られています。

カルノー エンジンの原理

Nicolas Leonard Sadi Carnot は 1824 年に最初の Carnot エンジンを設計しました。Benoît Paul Émile Clapeyron は 1834 年に既存のモデルを修正し、拡張しました。そして 1857 年に、Rudolf Clausius はエンジンの効率を調べました。このエンジンは、いくつかの原則に基づいて動作すると言われています。これらの原則は次のとおりです。

• 不可逆熱機関の効率は、同じ 2 つのリザーバー間で動作する可逆熱機関の効率よりも常に低くなります。

• 同じ 2 つのリザーバー間で動作する可逆熱機関はすべて同じ効率です。

ガスパワータービンの熱効率を改善するには、燃焼室の温度を上げることが重要です。たとえば、タービン ブレードは高温のガスに耐えられず、疲労が早まります。

カルノー サイクル

カルノー エンジンの重要性を知るには、カルノー エンジンがどのように機能するかを知らなければなりません。カルノー エンジンは、カルノー サイクルの原理に基づいて動作します。

カルノー サイクルは 4 つの段階に分けることができます:

上の図の線 A から B は、等温膨張プロセスを象徴しています。等温という用語は、「等」と「熱」という言葉に由来します。

「Iso」は「同一」を意味し、「温度」は「熱」を意味し、「等温」は「温度変化なし」を意味します。

ガスはこの等温膨張過程で膨張し、この膨張はピストンを上方に動かすことで外部環境に働きかけます。このプロセス中にガスの圧力が低下します（上の図に示すように）。ただし、ガスの温度はこのプロセス全体で変化しないため、等温膨張 (等温膨張) と呼ばれます。

この等温膨張の間、ガスは高温貯留層から熱エネルギー QH を吸収し、ガスのエントロピー (エネルギー) を増加させます。

2. 断熱膨張:(B から C)

断熱膨張プロセスの間、気体は際限なく膨張します。行われた仕事に比例して内部エネルギーの一部が失われるため、圧力が低下し、さらに体積が増加し、温度が低下します。

このガス膨張プロセスはピストンを押し上げ、外部環境に働きかけます。ガスの膨張はガスを冷却し、熱 (Tc) を加えることなくその温度を「低温」温度に変換します。

3. 等温圧縮 (C から D)

このプロセス中に周囲の環境がガスに作用し、熱がシステムからコールド タンクに移動します。等温圧縮プロセスの間、ガスの温度は一定のままです。それでも、圧力は上昇し、ガスの体積は減少します。このプロセスにより、熱エネルギーはシステムから冷たい貯水池に強制的に移動し、システムのエントロピーは減少します。

4. 断熱圧縮 (D から A)

上のグラフの線 D から A は、断熱可逆圧縮プロセスを示しています。この過程でピストンとシリンダーは再び分離されると推定され、高温のリザーバーは取り除かれることになっています。環境は、ピストンを下にシフトすることにより、この段階でガスに継続的に作用します。

ピストンがさらに下降すると、ガスが絶えず圧縮され、温度と圧力が P3 から P1 に上昇します (上図を参照)。このプロセスにより、ガスの内部エネルギーが増加し、圧縮され、温度が Tc から Th に上昇します。エントロピーは断熱過程で一定のままです。その後、このサイクルが繰り返されます。

カルノーの定理とは

カルノーの定理に従うと、次のようになります。

• 2 つの同様のリザーバー間で動作するすべての可逆熱機関の生産性は同じです。

• カルノー エンジンの最大効率を以下に示します:

結論

カルノー エンジンは、カルノー エンジンの原理に基づいて動作するエンジンです。この記事では、カルノー エンジンの意味とカルノー エンジンの重要性を強調しました。カルノー サイクルは、4 つの部分に分かれた複雑なプロセスです。