1824 年、ニコラス・レオナルド・サディ・カルノーは、カルノーの定理またはカルノー規則を開発しました。熱機関に制限が設定されていない熱機関の効率を扱います。無制限の値を持つことができます。また、効率は、熱機関の高温および低温のリザーバー温度にのみ依存します。存在するすべての熱機関の効率は、カルノー熱機関の効率よりも低くなります。また、カルノー熱機関の効率は、作動物質や操作によって変化しません。熱力学の第二法則は、カルノーの定理の発展に関与しています。また、この理論は、単純な熱機関またはカルノー熱機関以外の熱機関は効率が低いと結論付けています。
カルノーの定理式
カルノー エンジンは、他のすべての熱エンジンと比較して最大の効率を備えています。最大効率は、リザーバーの温度を高温のリザーバーの温度で割った値の差として定義されます。式は、この定義で十分に確立できます。つまり、
ここで、TH は高温貯留層の温度を表し、TC は低温貯留層の温度を表します。
方程式は次のように表すこともできます。
可逆エンジンと不可逆エンジン
可逆熱機関の場合、効率は同じで、同じ蓄熱体を持っているものと同じです。また、可逆熱機関の場合、そのプロセスを逆にすることができ、エネルギー損失はありません。そして、2 つの蓄熱器間の働きが同じであれば、それらの効率は同じままです。
エントロピー、T は温度を表し、∫ab はそれが経路関数であることを示しています。
カルノー エンジンは、動作中にエネルギー損失を伴う効率的な不可逆熱エンジンです。
証明
カルノー エンジンの効率を証明するために、温度 T1 の間で動作する 2 つのエンジン A と B を考えてみましょう。 と T2 、ここで、A は不可逆的な熱機関を表し、B は可逆的な熱機関を表します。
両方のエンジンで同じ熱が収集される場合、 WA そしてWB 仕事の成果を表します。また、不可逆熱の効率は、可逆熱機関の効率よりも高いことがわかっています。それは 𝛈A です> 𝛈B .
そして
WA /Q> WB /Q
だから、
WA> WB
最終的な結果は、WA – WB がシンクから取得され、同じ量の仕事を生成し、熱力学の第 2 法則に違反することです。
つまり、不可逆過程を持つ熱機関の効率が高いという結論は誤りです。したがって、同じ温度制限内で動作するエンジンは、リバーシブル エンジンよりも効率的です。
カルノーの定理の意味
カルノーの定理は、ニコラス・レオナルド・サディ・カルノーが提唱した、カルノー・エンジンよりも効率的な熱機関は存在しないことを示す定理として述べることができます。熱力学の第二法則は、カルノーの定理に適用されます。
カルノー サイクル
カルノー サイクルは、特定の物理法則に従うことによって作成されます。そして、それはエントロピーの変化を伴わないため、理想化することによって開発されたサイクルですが、すべての物理的プロセスがエントロピーの変化を伴うことがわかっています。したがって、これは理想的なサイクルであり、1回目の等温膨張、2回目の等温圧縮膨張、3回目の断熱膨張、4回目の断熱圧縮という4つの連続した操作を経て初期段階に移行します。
このように、カルノーサイクルには 4 つの操作を含むサイクルが存在します。等温膨張では、温度は一定に保たれます。また、断熱膨張は、プロセスが実行されるシステムに熱が出入りしないプロセスです。等温圧縮とは、温度変化なしに体積が減少することです。一方、断熱圧縮は、その過程で圧力が低下する膨張です。
カルノーの定理の応用
カルノーの定理は、多くの分野で応用されています。カルノー エンジンの一般的で有益なアプリケーションの一部は次のとおりです。
- 熱エネルギーを使って仕事を変換する熱機関には、カルノーの定理が適用されます。
- 冷蔵庫または冷蔵装置はこれに作用して冷却効果を生み出します。
- 船舶で使用されるタービンまたは蒸気タービンは、カルノーの定理に基づいて動作します。
- 内燃エンジンである燃焼車両のエンジンは、この定理に基づいて動作します。
- 航空機のエンジンにあるタービンは、カルノーの定理に従っています。
結論
Nicolas Leonard Sadi Carnot によって提案されたカルノーの定理は、カルノー エンジンが他の熱エンジンと比較してどれほど効率的であるかについての考えを与えてくれます。物理的な世界で多くのアプリケーションがあります。多くのエンジンは、この定理の進化で解決されています。また、熱力学に基づいて機能します。このようにして、4 つの連続した操作が周期的な回転で実行されるカルノー サイクルが開発されました。これは理想化された概念であり、現実の世界とは大きく異なります。
