冷凍: サイクルを逆に回して熱を持ち上げる
熱機関を逆に回すと冷凍機になります。熱が高温から低温へ落ちて仕事を得る代わりに、仕事を費やして熱を低温から高温へ押し上げるのです。それが熱が逆に坂を上る唯一の道であり、あらゆる冷蔵庫・冷凍庫・ヒートポンプはこうして動きます。
仕事 W をドラッグしてください。低温側の熱 QC は仕事を費やしてこそ高温側へ上がり、高温側は QH = QC + W を受け取ります。熱はもともと高温から低温へひとりでに流れるので、これを逆に押し上げるにはポンプが要り、費やした仕事 W はそっくり熱に変わって高温側に足されます。
実際の冷蔵庫で冷媒は四つの装置を巡ります。蒸発器で沸いて QC を吸収し、圧縮機で絞られ圧力を上げ、凝縮器で凝縮して QH を出し、膨張弁で圧力を下げます。位相をドラッグしてください。ランキンを逆に回したものです。冷媒は沸点がとても低い物質なので、冷蔵庫の中のような冷たい場所でも蒸発して熱を吸い取りますが、これは汗が蒸発して肌を冷やすのとまったく同じ原理です。
冷凍機は効率ではなく成績係数 COP = QCW で評価します。費やした仕事一単位あたりに運んだ熱です。ふつう1より大きい。費やした仕事より多くの熱を運ぶからです。COP が1を超えてもエネルギーを生み出しているわけではなく、ない熱を作るのではなくすでにある熱を冷たい場所からくみ出して運ぶだけなので、運んだ熱が費やした仕事より多くなり得るのです。W をドラッグしてください。
同じ機械が、低温側を冷たく保ちたければ冷凍機(役立つのは QC)、高温側を暖めたければヒートポンプ(役立つのは QH)です。QH = QC + W なので、ヒートポンプの COP は常に冷凍より1大きい。だからヒートポンプで暖房すると電気ヒーターよりずっと得で、電気ヒーターは電気一単位を熱一単位に変えるだけですが、ヒートポンプは外気や地面からただの熱をくみ上げて三、四倍を送り出します。切り替えてみてください。
三つを持ち帰ってください。冷凍は機関を逆に回したもので、熱を上へ運ぶには必ず仕事が要り(クラウジウス)、COP で評価し、最大 COP = TC(TH−TC) は温度差が小さいほど大きくなります。これで輪が閉じます。一つの状態から、法則へ、そして私たちの世界を回すサイクルへ。その温度差の効きは家庭でも表れ、ヒートポンプは内と外の温度差が最も開く最も寒い日に、最も苦しく働きます。