熱機関は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換するために使用される装置です。圧力 - 体積 (PV) ダイアグラムは、ガスの質量が一定の場合に熱機関で発生するプロセスを表します。 PV ダイアグラムは閉ループとして表されます。クローズド ループは、サイクル中に行われる作業量です。
PV ダイアグラムの構造と用語
PV ダイアグラムでは、上の図に示すように、横軸に体積、縦軸に圧力が表示されます。 PV ダイアグラムの各点は、ガスのさまざまな段階の状態を表します。閉ループは、サイクル中に行われたガスと仕事の各状態を表します。
- 曲線の下の領域は、その特定の状態で行われた作業として表されます。
- 図の右側に向かう音量の変化は増加を示し、左側に向かうほど減少を示します。
- 気圧の上向きの変化は増加を示し、下向きの変化は減少を示します。
内部エネルギー (ΔU)
内部エネルギーと温度は、気体が逃げない場合、正比例します。圧力または体積が増加すると、温度と内部エネルギーが増加します。 PV ダイアグラムが上に移動すると、内部エネルギーが増加し、逆も同様です。
作業完了 (W)
ピストンが下に移動すると、ガスの体積が減少します。これは、行われた仕事が正であることを意味します。シリンダー内のピストンが上に移動すると、シリンダー内のガスが膨張して体積が増加します。つまり、行われた仕事は負になります。
したがって、PV ダイアグラムの右側は行われた仕事が負であることを示し、左側は行われた仕事が正であることを示していると結論付けることができます。
伝熱 (Q)
PV ダイアグラムから熱伝達の大きさを決定できます。
熱力学の第一法則によると、
Q =ΔU-W
どこで、
Q:伝熱
Δ U:内部エネルギーの変化
W:仕事終わり
Q =(+) – (-)
したがって、内部エネルギーの変化が正で、行われた仕事が負の場合、伝達される熱は正であると言えます。つまり、より多くの熱が伝達されます。
熱機関効率 (η)
熱機関の効率は、機械が行う仕事と、高温で吸収されるエネルギーとの比率として定義されます。
熱機関の効率、η=完了した作業/入力した作業。
熱処理の種類
熱機関にはさまざまな熱プロセスがあります。
等温プロセス
等温プロセスでは、熱伝達にもかかわらず、システムの温度は一定に保たれます。
断熱過程
断熱プロセスでは、熱伝達はありませんが、システムの温度は一定のままです (Q =0)。
等圧プロセス
等圧プロセスでは、システムの圧力は、圧縮または膨張プロセス中に一定のままです。
等容プロセス
等容プロセスでは、システムの体積は一定のままです。これは、アイソコリック プロセス (w =0) とも呼ばれます。
PV図の説明
以下は、カルノーの熱機関の PV ダイアグラムです。
カルノーの PV サイクルには、次の 4 つの段階があります。
1) 可逆等温ガス膨張プロセス
シリンダー内または高温リザーバー内の理想的なガスは、熱源から熱を吸収し、ピストン内で上方に移動します。したがって、ガス膨張が発生します。これは第 1 部と第 2 部に示されています。
2) 可逆断熱ガス膨張プロセス
パーツ 2 と 3 に示すように、ベースは断熱されています。つまり、熱がシステムに出入りすることはありません。
3) 可逆等温ガス圧縮プロセス
周囲はガスに作用し、パート 3 と 4 に示すエネルギー「Q」を放出します。
4) 可逆断熱ガス圧縮プロセス
断熱チャンバー内でのプロセスは、ガスを圧縮し、その温度を上昇させます。パート 4 から 1 に示されています。
結論
PV ダイアグラムは、熱機関の動作サイクルの各段階でのガスの状態を表すために使用されます。 PV ダイアグラムは、ガスの質量が一定の熱機関で発生するプロセスを示しています。 PV ダイアグラムは閉ループにあり、サイクル中に行われる作業量を表します。
PV ダイアグラムは、横軸に体積、縦軸に圧力を示します。 PV ダイアグラムの各ポイントは、ガスのさまざまな段階の状態を表します。
