熱機関は、熱エネルギーを機械的仕事に変換する機械です。内燃機関、ジェット エンジン、蒸気タービンなどは、熱機関の例です。これらすべてのエンジンで熱が使用され、有用な機械的仕事が生成されます。この記事では、熱機関の効率に関する注意事項に従って、熱機関の効率と熱機関の効率に関連する質問について説明します。
熱機関
エネルギーを有用な仕事に変換できる機器はすべて、熱機関と呼ぶことができます。たとえば、空気中で石炭を燃やすと、その化学エネルギーの一部が放出されます。燃焼プロセス中に生成された熱は、ボイラー内の水を加熱し、タービンに電力を供給するために使用できます。これが今度は発電機に電力を供給し、発電します。
化学エネルギーから電気エネルギーへの変換は非効率的です。廃熱がシステムから取り除かれると、各段階でいくらかのエネルギーが失われます。
熱機関はどのように機能しますか?
熱を仕事に変換するために、熱機関は水やガソリンなどの作業物質を使用します。熱が高温リザーバーから低温リザーバーに移動する場合にのみ、機械的エネルギーが有用な仕事に変換できるようになります。ただし、一部の熱は低温リザーバーに失われるため、すべての熱入力が有効な仕事に変換されるわけではありません。
作動物質、ホット リザーバー、コールド リザーバーは、エンジンの 3 つの主要コンポーネントです。エンジンは、液体または気体の作動物質によって機能します。高温のリザーバーは熱入力を受け取り、低温のリザーバーは熱出力または過剰な熱を受け取ります。
PV ダイアグラムとは
PV ダイアグラムは、熱機関を研究するための主要な視覚化ツールです。エンジンは通常、作動物質として気体を使用するため、理想気体の法則によって PV ダイアグラムが温度に関連付けられ、気体の 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なります。作業はガスの体積が変化したときにのみ実行されるため、図は実行された作業を視覚的に表したものです。
理想気体の内部エネルギーは温度によって変化するため、PV 線図と理想気体の法則から計算された温度により、気体の内部エネルギーの変化を確認し、追加された熱量を第 1 法則を使用して決定することができます。
熱機関の効率
熱機関の効率は、熱源と熱源の温度に対する熱源とシンクの間の温度差の比率として定義されます。熱機関の熱効率とも呼ばれます。熱機関の総合効率は、高温と低温のリザーバーの差が最大であれば実現可能です。効率に単位はありません。
熱機関ごとに熱効率が異なる場合があります。これをよりよく理解するために、信頼できる熱機関とその効率を見てみましょう。
以下は、さまざまな熱機関の効率です。
- 自動車のガソリン エンジンの効率は約 25% です。
- 同様に、石炭火力発電所の効率はわずか 49% です。
熱機関の効率式とは?
熱機関の効率は、生成される熱と有用な仕事の割合であるため、式と記号を使用して表すことができます。熱エネルギー式の効率は次のとおりです。
n =WQ1
この式では、
W =エンジンによって実行される作業
Q1 =ソースからの熱
各サイクルの後、熱機関は初期段階に戻ります。
ΔU =0
図から次のことがわかります:
W =Q1 – Q2
したがって、熱機関の効率は
n =Q1 – Q2/Q1
n =1 – 第 2 四半期/第 1 四半期
したがって、Q =0 の場合、効率は 100% になりますが、システム内でエネルギー損失が発生するため、これは現実的ではありません。その結果、どのエンジンにも効率の制限があります。カルノー熱機関などのリバーシブル エンジンは、最も効率が高くなります。
熱機関の種類
多くのタイプの熱機関は、熱機関の効率式に基づいています。それらのいくつかを以下にリストします:
蒸気機関
蒸気機関は、石炭、石油、またはガスの燃焼によって生成された蒸気で作動します。生成された蒸気は吸気バルブに入り、エンジンのピストンを動かします。エンジンの動きは、有用な機械的仕事を生み出します。ピストンが元の位置に戻ると、排気バルブからガスが放出されます。その後、低温貯水池で冷却され、水は再利用され、次のサイクルを開始するために再び温められます。
内燃機関
これらのエンジンは、最も広く使用されています。内燃エンジンの 4 つのステップが図に示されています。混合気は、ピストンが下降するにつれて吸気バルブに流入する傾向があります。ピストンが上に移動すると、混合気が圧縮されます。点火プラグは圧縮空気を燃やし、ガスを急速に加熱します。その後、ガスが膨張し、ピストンが下に移動します。燃焼ガスは、排気バルブが再び上昇するときに押し出されます。ガスと空気の混合物の新しいバッチがシリンダーに入ると、このサイクルが繰り返されます。
結論
熱機関は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換するデバイスです。これらのエンジンは、約 30% ～ 50% の効率で動作します。この記事では、熱機関効率ノートに従って、熱機関効率について説明します。
