2 つの蓄熱体間で動作するエンジンは、同じ蓄熱体間で動作するカルノー エンジンよりも効率的ではありません。
私たちは機械を使うとき、できるだけ多くのことをしたいと思っています。したがって、ジェームズ ワットが 1759 年に最初の蒸気エンジンを開発したとき、蒸気の 80% が無駄になっていることを知ってがっかりしたのも不思議ではありません。その後、レースは蒸気機関を改良し、その効率を向上させ始めました。蒸気機関は、産業革命の「推進」に貢献した最も重要な技術革新の 1 つであったため、蒸気機関の効率を向上させることは、当時の科学者にとって不可欠な目標でした。
1824 年、フランスの軍事技術者であるニコラス レオナール サディ カルノーは、熱機関の熱力学を定義する上で非常に画期的な理論を提案しました。彼は、カルノーのエンジンまたはカルノーのサイクルとしても知られる「完全な」熱エンジンを可能な限り効率的に視覚化しました。そのエンジンでは、熱はシリンダー ピストン アセンブリを介して高温のリザーバーから低温のリザーバーに移動し、熱の一部を仕事に変換します。
それは「完璧な」エンジンだったので、摩擦による熱の浪費や、エンジンの他の部分の温度変化による損失はありませんでした。彼は、そのようなエンジンが 100% の効率を達成することはできず、達成できる効率には常に上限があることを提案しました。彼の定理は次のように述べています。2 つの蓄熱体の間で動作するエンジンは、同じ蓄熱体の間で動作するカルノー エンジンよりも効率的ではありません。
カルノー周期
詳しく理解するために、カルノーサイクルの構造を見てみましょう。以下で説明する概念を理解するには、熱力学とエントロピーの第 2 法則を事前に理解しておくことが重要です。
カルノーサイクルは、自然に起こる可逆的なプロセスであると想定されています。これは、プロセス全体が完了した後、開始状態に戻ることを意味します。最も注目に値するのは、外部からの努力やエネルギーがなくても自然に起こることです。カルノー サイクルは 4 つの主要なステップに分かれています。
ステップ 1:可逆等温ガス膨張
最初のステップでは、シリンダー内のガスは、温度 Th にある高温リザーバーから Qh 量の熱を吸収します。気体は Th で等温膨張します。等温プロセスは、プロセス全体で温度が一定に保たれるプロセスです。このステップでは、ガスの温度は Th で一定のままです。ガスは受け取ったエネルギーによって膨張し、周囲に働きかけます。
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ステップ 2:可逆断熱ガス膨張
断熱プロセスは、断熱されて熱を失わないプロセスです。 2 番目のステップでは、ガスは膨張し続け、周囲に作用します。シリンダーは (断熱されているため) 熱を失うことはなく、気体は (仕事をするために) 膨張するため、気体の温度は Tc まで下がります。
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ステップ 3:可逆等温ガス圧縮
このステップでは、シリンダーは熱 (Qc) をコールド リザーバーに失います。このステップも等温です。つまり、一定の温度 Tc で行われます。熱損失により、ガスが圧縮され、ピストンが押し下げられます。
<強い> 
ステップ 4:可逆断熱ガス圧縮
最後のステップで、シリンダーは環境から再び断熱され、熱交換は行われません。環境はピストンに作用し、ピストンはガスを圧縮するために戻ります。ガスは再び Th の温度に達し、元の状態を保持します。
カルノーサイクル効率
カルノー サイクルの効率を計算するには、リザーバー間の熱の流れとシステムによって行われる仕事を調べる必要があります。システムのエントロピーを使用して計算することもできます。このプロセスは可逆的であるため、システムによるエントロピーの生成はありません。言い換えれば、システムの全エントロピーは保存されます。熱は、高温のリザーバーから流出し、低温のリザーバーに流れます。したがって、エントロピー ΔS はホット リザーバーから取得され、コールド リザーバーに与えられます。
これは、高温の貯留層から奪われる熱である Qh が ThΔS に等しく、低温の貯留層 Qc に与えられる熱が TcΔS に等しいことを意味します。
エンジンの仕事 =Qh – Qc =(Th – Tc)ΔS
システムの効率は、行われた仕事をエネルギー入力で割ったものとして定義されます。したがって、カルノー サイクルの効率は次のようになります。
効率 =(Qh – Qc) / Qh =(Th – Tc)ΔS / ThΔS =(1 – Tc/Th)
2 つのリザーバーの温度に差がない場合、リザーバー間に熱の流れがないことを覚えておいてください。この方程式は、エンジンの効率が 1 (または 100%) になることはあり得ないことを証明しました。熱機関の理想的な効率は、常に蓄熱器の温度に依存します。
カルノー サイクル PV ダイアグラム
カルノー サイクルを PV (圧力 - 体積) プロットにプロットすると、次のようになります。エンジンによって行われた作業は、PV プロットの完全なパスによって囲まれた領域によって表されます。
カルノーのサイクル PV ダイアグラム
カルノー サイクル TS ダイアグラム
カルノー サイクルを TS (温度-エントロピー) プロットにプロットすると、次のようになります。ここでも、エンジンによって行われた作業は、TS プロットの完全なパスによって囲まれた領域によって表されます。
カルノーのサイクル TS ダイアグラム
