熱力学
熱機関: 熱を仕事に変える循環
QH を受け取り仕事 W を出し QC を捨てる。循環なので QH = W + QC、効率 η = W/QH = 1 - QC/QH
熱機関は高温熱源から熱 QH を受け取り、一部を仕事 W に変え、残りの QC を低温熱源へ捨てます。循環して毎周出発点へ戻るので、正味の仕事は受け取った熱から捨てた熱を引いた分です。
吸熱のうちどれだけが仕事になるかドラッグしてみてください。残りは低温熱源へ捨てられます。実際の自動車エンジンや発電所でも、燃料の熱の三分の一ほどだけが仕事になり、残りは高温の排気と冷却水として逃げていきます。
機関は P-V 平面上の閉じた輪を回ります。輪が囲む面積が一循環の正味の仕事です。輪を時計回りにたどるときだけ正味の仕事が正になり、逆に回すとむしろ仕事を入れる冷凍機になります。
一循環すると気体は出発状態に戻り、内部エネルギー変化が0なので QH = W + QC になります。内部エネルギーは状態だけで決まる量なので、どんな経路をたどっても同じ状態に戻れば、その変化は必ずゼロになります。吸熱を仕事と排熱に分けてみてください。
効率は η = WQH = 1 - QCQH です。効率は捨てる熱 QC と受け取る熱 QH の比だけで決まるので、排熱を減らすことが効率を上げる唯一の道です。弱い機関と強い機関を切り替えて比べてみてください。
三つの流れを順に強調してみてください。必ず QC で熱が逃げるので効率は常に1未満です。なぜかは次章の第二法則で扱います。このどうしても捨てねばならない QC のせいで、発電所は川辺や巨大な冷却塔のそばに建ち、絶えず廃熱を逃がしています。
実際に使うまとめると、熱機関は高温熱源から QH を受け取り、仕事 W を出し、低温熱源へ QC を捨てる循環装置です。一周すると内部エネルギーは元に戻るので QH = W + QC となり、正味の仕事は P-V の輪が囲む面積に等しくなります。効率 η = WQH = 1 - QCQH は QC を0にできないため常に1未満です。次章ではまさにこの限界を定める第二法則と、最も効率の高いカルノー循環へ進みます。
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