【物理基礎 熱】「不可逆変化、熱機関」のポイント解説

今回の物理基礎は熱の「不可逆変化」、「熱機関」についてのポイント解説です。

・不可逆変化とは?
・熱機関とは?
・熱効率とは?

という人はこの記事で確認して下さい。

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不可逆変化

まずは不可逆変化についてです。

不可逆変化
時間の流れを逆向きにした変化が起こらないような変化

このままではどういったことをいってるのかイメージがわかないと思うので具体例を示していきます。

氷が溶けて水になる変化を考えるとイメージしやすいかと思います。

氷が熱を周りから吸収することで分子の熱運動の激しさが増し、水になります。

不可逆変化かどうかはこれの逆を考えてみます。

つまり、水の状態から熱を放出して氷に戻るかどうか考えます。

するとこのような変化は起こらないことから、この変化は不可逆変化であることがわかります。

一般に熱が関係する現象は不可逆変化になります。

可逆変化

では、可逆変化にはどのようなものがあるか疑問に思う人がいるかと思います。

例えば振り子の運動が可逆変化です。

ただし、空気抵抗や摩擦がないときに可逆変化になります。

空気抵抗や摩擦がなければ振り子は手を離した高さを行ったり来たりします。

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熱機関

では次に熱機関についてです。

熱機関
高温物体から熱を吸収し、その一部を仕事に、残りを低温物体に放出する装置

熱機関の具体例は蒸気機関、ガソリン機関、ディーゼル機関などです。

これらは燃料を燃焼させることで得られる熱を仕事に変換させています。

熱効率

熱を仕事に変換させるわけですが、この変換の割合熱効率(熱機関の効率)といいます。

熱効率(熱機関の効率)
高温物体から得られた熱量のうち、熱機関が仕事に変換する割合
\[
\begin{align}
e&=\frac{W’}{Q_{in}}\\ \\
&=\frac{Q_{in}-Q_{out}}{Q_{in}}
\end{align}
\] ただし(e<1)となる

\(e\)を用いて熱効率はよく表されます。

高温物体から吸収した熱量を\(Q_{in}\)[J]、変換された仕事、または熱機関がする仕事を\(W’\)とします。

すると、得た熱量に対してどのくらい仕事をするかを示すのが熱効率であるので

\[
e=\frac{W’}{Q_{in}}
\]

となります。

得た熱量の全てが仕事に変換されるわけではありません。

必ず低温物体へ熱量を放出します。

つまり熱効率\(e\)は
\[
e<1
\] となります。

また、低温物体へ放出する熱量を\(Q_{out}\)[J]とすると、得た熱量が仕事と熱の放出に変わることから

\[
\begin{align}
Q_{in}&=W’+Q_{out}\\
W’&=Q_{in}-Q_{out}
\end{align}
\]

であるので、先程の熱効率の式は

\[
\begin{align}
e&=\frac{W’}{Q_{in}}\\ \\
&=\frac{Q_{in}-Q_{out}}{Q_{in}}
\end{align}
\]

と表すこともできます。

コージェネレーション

最後に「コージェネレーション」という言葉を聞いたことがあるでしょうか?

これは省エネルギー実現のために発電の際に放出される熱を暖房や給湯に活用する手法のことです。

従来では利用されな廃熱や損失があったものが、コージェネレーションによってその割合を低くすることができます。

それによって省エネルギーやCO\(_2\)の削減といったメリットを得られるというものです。

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まとめ

それでは今回のまとめです。

不可逆変化
  時間の流れを逆向きにした変化が起こらないような変化
  (例)氷が溶けて水になる

熱機関
  高温物体から熱を吸収し、その一部を仕事に、残りを低温物体に放出する装置

熱効率
  吸収した熱量を仕事に変換する割合
\[
\begin{align}
e&=\frac{W’}{Q_{in}}\\ \\
&=\frac{Q_{in}-Q_{out}}{Q_{in}}
\end{align}
\]   ただし\(e<1\)

今回は短いですがここまでとなります。

物理基礎の熱のポイント解説も今回で終了です。

練習問題の記事も作成していくのでそちらで理解度を確認したり、別分野の学習に取り組んで下さい。

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