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熱機関とカルノーサイクルの基本md d7f3642
lecture/physics/thermodynamics/heat-engines-and-carnot-cycle-basics.lecture.n.md
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熱機関ねつきかんとカルノーサイクルの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_1e394a8c74cac1234f811cfae4b1bfaddescription熱機関を循環過程として定義し、効率、カルノー効率、可逆機関が上限を与える理由を証明付きで整理する講義である。prerequisites熱力学第一法則 / 熱力学第二法則の入口type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/thermodynamics/first-law-of-thermodynamics.lecture.n.md / data/lecture/physics/thermodynamics/introduction-to-second-law-of-thermodynamics.lecture.n.md
physicsthermodynamicsheat-enginecarnotlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、熱機関ねつきかんを「ねつ仕事しごとえる装置そうち」としてだけでなく、高温熱源こうおんねつげん低温熱源ていおんねつげん循環過程じゅんかんかていわせとして解説かいせつする。

熱機関ねつきかんは、高温熱源こうおんねつげんからねつり、その一部いちぶ仕事しごととしてし、のこりを低温熱源ていおんねつげんてる。全部ぜんぶ仕事しごとにできないことが第二法則だいにほうそく内容ないようである。

2用語ようご定義ていぎ

熱機関ねつきかんheat engineとは、周期的しゅうきてきもと状態じょうたいもどりながら、ねつ一部いちぶ仕事しごと変換へんかんする装置そうちである。

熱効率ねつこうりつthermal efficiency η とは、高温熱源こうおんねつげんからった熱量ねつりょう Qh のうち、仕事しごと W としてせた割合わりあいである。

η=WQh

カルノーサイクルCarnot cycleとは、2 つの等温過程とうおんかていと 2 つの断熱過程だんねつかていからなる可逆かぎゃく熱機関ねつきかん循環過程じゅんかんかていである。

3方針ほうしん

熱機関ねつきかんでは、ねつ出入でいりを符号ふごうではなくおおきさで整理せいりする。

  1. 高温熱源こうおんねつげんから熱量ねつりょうQh>0 とする。
  2. 低温熱源ていおんねつげんてる熱量ねつりょうQc>0 とする。
  3. 1 周期しゅうきでは ΔU=0 なので、W=Qh-Qcく。
  4. 可逆かぎゃくなら、熱源ねつげんのエントロピー変化へんかから Qc/Qh=Tc/Th使つかう。

4関係式かんけいしき 1:熱機関ねつきかん効率こうりつ

熱機関ねつきかんが 1 周期しゅうき高温熱源こうおんねつげんから Qhり、低温熱源ていおんねつげんQcてるなら、仕事しごと

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]W=Qh-Qc

であり、熱効率ねつこうりつ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]η=1-QcQh

である。

4.1証明しょうめい

熱機関ねつきかんは 1 周期しゅうきもと状態じょうたいもどるので、内部ないぶエネルギーの変化へんか

ΔU=0

である。けいはい正味しょうみねつは、Qh からてる Qcいた

Q=Qh-Qc

である。第一法則だいいちほうそく ΔU=Q-W より

0=(Qh-Qc)-W

だから

W=Qh-Qc

である。効率こうりつ定義ていぎ η=W/Qh代入だいにゅうして

η=Qh-QcQh=1-QcQh

る。

5関係式かんけいしき 2:カルノー効率こうりつ

高温熱源こうおんねつげん温度おんどTh低温熱源ていおんねつげん温度おんどTc とする。可逆かぎゃくなカルノー熱機関ねつきかん効率こうりつ

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ηC=1-TcTh

である。

5.1証明しょうめい

カルノーサイクルは可逆かぎゃくなので、熱機関ねつきかんと 2 つの熱源ねつげんわせた全体ぜんたいのエントロピー変化へんかは 0 である。

高温熱源こうおんねつげん熱量ねつりょう Qhうしなうので、

ΔSh=-QhTh

である。低温熱源ていおんねつげん熱量ねつりょう Qcるので、

ΔSc=QcTc

である。可逆かぎゃくより

ΔSh+ΔSc=0

なので、

-QhTh+QcTc=0

である。したがって

QcQh=TcTh

である。関係式かんけいしき 1 の η=1-Qc/Qh代入だいにゅうして

ηC=1-TcTh

る。

6帰結きけつ 3:カルノー効率こうりつ上限じょうげんである

おなThTcあいだうご熱機関ねつきかん効率こうりつは、カルノー効率こうりつえない。

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]η[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]ηC

6.1証明しょうめい

背理法はいりほうしめす。カルノー熱機関ねつきかんよりたか効率こうりつをもつ熱機関ねつきかん E があると仮定かていする。

おなじ 2 つの熱源ねつげんあいだで、カルノー熱機関ねつきかん逆向ぎゃくむきにうごかすと、これは冷凍機れいとうきとしてはたらく。E仕事しごとで、この逆向ぎゃくむきカルノー機関きかんうごかすようにわせる。

E効率こうりつがカルノー効率こうりつよりたかいなら、おな仕事しごとすために E高温熱源こうおんねつげんから熱量ねつりょうは、逆向ぎゃくむきカルノー機関きかん高温熱源こうおんねつげんもど熱量ねつりょうよりすくない。

すると、外部がいぶから正味しょうみ仕事しごとらずに、低温熱源ていおんねつげんから高温熱源こうおんねつげんねつうつ装置そうちができる。これは第二法則だいにほうそくはんする。したがって、そのような熱機関ねつきかん E存在そんざいせず、

η[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]ηC

である。

7単位たんい確認かくにん

効率こうりつ

η=WQh

であり、分子ぶんし分母ぶんぼがどちらも [J] なので無次元むじげんである。

8具体例ぐたいれい

Th=600[K;Θ]Tc=300[K;Θ]あいだうごくカルノー熱機関ねつきかんでは、

ηC=1-300600=12

である。ったねつ最大さいだい 50% までしか仕事しごとにできない。

9見分みわかた

  • 1 周期しゅうきなら ΔU=0
  • 効率こうりつなら η=W/Qh
  • 可逆かぎゃく上限じょうげんなら ηC=1-Tc/Th
  • 全部ぜんぶねつ仕事しごとにできるかをうなら第二法則だいにほうそく判断はんだんする。

10どこまで成立せいりつするか

カルノー効率こうりつは、2 つの熱源ねつげんあいだうご可逆熱機関かぎゃくねつきかん上限じょうげんである。実際じっさい熱機関ねつきかんでは、摩擦まさつ有限時間ゆうげんじかんでの熱移動ねついどう排熱はいねつなどにより不可逆性ふかぎゃくせいがあるため、効率こうりつはこの上限じょうげんよりちいさい。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]W=Qh-Qc
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]η=1-QcQh
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ηC=1-TcTh

12一言ひとこと

熱機関ねつきかんは、ねつ一部いちぶ仕事しごとにし、のこりを低温側ていおんがわてる。てるねつを 0 にはできない。

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