熱機関は、熱という形で提供されるエネルギーを使用し、仕事に使用できない熱を排出することによって機能します。熱と仕事の間の相互作用の研究は、熱力学として知られています。熱機関の動作は、熱力学の第 1 法則と第 2 法則によって制約されます。最初の法則はエネルギー保存をシステムに適用し、2 番目の法則は機械の可能な効率を制限し、エネルギーの流れの方向を定義します。
PV ダイアグラム (Pressure-Volume) ダイアグラムは、熱機関の調査に使用される一般的な視覚化ツールです。ガスはエンジンの作動成分として一般的に使用されるため、理想ガスの法則は PV ダイアグラムを温度に関連付け、ガスの 3 つの基本的な状態変数をエンジン サイクル全体で追跡できるようにします。労働はガスの体積が変化したときにのみ行われるため、図は実行される仕事を示しています。内部エネルギーには限りがあるからです。 PV ダイアグラムは、理想気体の法則から得られた温度と相まって、気体の内部エネルギーの変化を決定し、熱力学の第 1 法則を使用して追加された熱量を計算できるようにします。結論として、PV ダイアグラムは、ガスを作動成分として使用する熱機関を分析するための基礎として機能します。
閉ループ PV ダイアグラムは循環熱機関に使用されます。サイクル全体で実行される作業量は、ループ内の領域で表されます。エンジン サイクルの PV ダイアグラムを、最も効率的なタイプの熱機関サイクルであるカルノー サイクルの PV ダイアグラムと比較することで、その相対的な効率を把握できます。
熱機関の図
熱機関は、熱という形で提供されるエネルギーを使用し、仕事に使用できない熱を排出することによって機能します。熱と仕事の間の相互作用の研究は、熱力学として知られています。熱機関の動作は、熱力学の第 1 法則と第 2 法則によって制約されます。最初の法則はエネルギー保存をシステムに適用し、2 番目の法則は機械の可能な効率を制限し、エネルギーの流れの方向を定義します。
エネルギー貯留モデル
エネルギー貯蔵モデルは、熱機関を表現する最も一般的な方法の 1 つです。エンジンは高温のリザーバーからエネルギーを吸収し、その一部を利用して仕事を遂行しますが、熱力学の第 2 法則により、その一部を低温のリザーバーに排出することを余儀なくされます。自動車エンジンの高温リザーバーは燃焼燃料ですが、低温リザーバーは燃焼生成物が放出される大気です。
効率
効率の表現は広いですが、最高の効率はカルノーサイクルに限定されます。熱ボトルネックは、この問題を説明するために使用される用語です。
熱機関の用途
1.地球の熱機関
地球上で熱を輸送するとき、地球の大気と水圏は結合されたシステムであり、地表水の蒸発、対流、降雨、風、および海洋循環を通じて太陽熱の不均衡を常に均一化します。
2.相変化サイクル
これらのサイクルとエンジンの作動流体は気体と液体です。エンジンは、作動流体を気体から液体、液体から気体、またはその両方に変化させ、流体を膨張または圧縮することによって仕事を生成します。
- ランキン サイクル (古典的な蒸気機関)
- 再生サイクル (ランキン サイクルより効率的な蒸気エンジン)
- ランキン サイクル (有機) (氷と高温の液体水の温度範囲における冷却剤の相変化)
- 蒸気から液体へのサイクル
3.ガスのみのサイクル
- これらのサイクルとエンジンの作動流体は常に気体です。
- サイクル オブ カルノー (カルノー熱機関)
- スターリング サイクル (カロリーシップ ジョン エリクソン) エリクソン サイクル (カロリーシップ ジョン エリクソン)
結論
熱機関は、熱を利用して巨視的な運動を生成する一種のエンジン (自動車のモーターに似ています) です。人が手をこすり合わせると（手が熱くなる）、摩擦によって機械的エネルギー（手の動き）が熱エネルギーに変換されます。一方、熱機関は、（周囲と比較して）暖かいことから生じるエネルギーを受け取り、それを運動に変換します。この運動を電気に変換するために、発電機がよく使用されます。
熱機関は、輸送と発電に使用されるエネルギーのほぼすべてを提供します。ガスを含む熱いアイテムの熱エネルギーは、有用なものに変換できます。熱機関はエネルギーを高温から低温の場所に移動させ、その一部を機械エネルギーに変換して機能させます。熱機関には温度差が必要です。
