熱機関

熱機関は、熱エネルギーを伝達して機械的仕事や電気的仕事を行うシステムである。^[1]^[2]熱機関の概念は、もともと機械的エネルギーの文脈で考え出されたが、少なくとも 19 世紀後半から、他の様々な種類のエネルギー、特に電気エネルギーに応用されてきた。 ^[3]^{[4]熱機関は}、作動物質を高温状態から低温状態に移行させることでこれを実現する。熱源は熱エネルギーを生成し、作動物質を高温状態にする。作動物質は、エンジンの作動本体内で仕事を生成すると同時に、より冷たいシンクに熱を伝達し、より低い温度状態に達するまで続ける。このプロセス中に、熱エネルギーの一部は、作動物質の特性を利用して仕事に変換される。作動物質は、熱容量がゼロでない任意のシステムとすることができるが、通常は気体または液体である。このプロセス中、通常、一部の熱は周囲に失われ、仕事に変換されない。また、一部のエネルギーは摩擦や抗力のために使用できない。

一般的に、エンジンとはエネルギーを機械的な仕事に変換する機械のことです。熱機関は、その効率が基本的にカルノーの熱力学の定理によって制限されるという点で、他の種類のエンジンと異なります。^[5]この効率の制限は欠点にもなり得ますが、熱機関の利点は、ほとんどの形態のエネルギーが、発熱反応（燃焼など）、核分裂、光やエネルギー粒子の吸収、摩擦、散逸、抵抗などのプロセスによって容易に熱に変換できることです。したがって、エンジンに熱エネルギーを供給する熱源は、事実上あらゆる種類のエネルギーで駆動できるため、熱機関は幅広い用途に使用されています。

熱機関は、それが実現しようとするサイクルと混同されることがよくあります。通常、「エンジン」という用語は物理的な装置を指し、「サイクル」という用語はモデルを指します。

概要

熱力学において、熱機関はオットーサイクルなどの標準的な工学モデルを用いてモデル化されることが多い。理論モデルは、インジケータダイアグラムなどのツールを用いて、稼働中のエンジンから得られる実際のデータによって改良・拡張することができる。実際の熱機関の実装が、その基礎となる熱力学サイクルと完全に一致することはほとんどないため、熱力学サイクルは機械エンジンの理想的な例と言える。いずれにせよ、エンジンとその効率を完全に理解するには、（場合によっては簡略化または理想化された）理論モデル、実際の機械エンジンの実際的なニュアンス、そして両者の相違点を十分に理解する必要がある。

一般的に、高温側と低温側の温度差が大きいほど、サイクルの潜在的な熱効率は高くなります。地球上では、あらゆる熱機関の低温側は周囲の温度に近い、つまり300ケルビンよりわずかに低い程度に制限されているため、様々な熱機関の熱力学的効率を向上させるための努力は、物質的な限界内で熱源の温度を上げることに重点を置いています。熱機関の理論上の最大効率（どの機関もこれを達成することはありません）は、高温側と低温側の温度差を高温側の温度で割った値に等しく、それぞれ絶対温度で表されます。

現在提案または使用されているさまざまな熱機関の効率には大きな範囲があります。

海洋温度差発電（OTEC）提案の3％^[6]（97％の廃熱を低品質の熱で利用）
ほとんどの自動車用ガソリンエンジンでは25％^[7]
アヴェドーレ発電所のような超臨界石炭火力発電所では49%
ロングストローク船舶ディーゼルエンジンの場合50%以上 [1]
複合サイクルガスタービンの場合60％^[8]

これらのプロセスの効率は、プロセス全体の温度低下にほぼ比例します。ポンプなどの補助機器によって多大なエネルギーが消費され、効率が実質的に低下する可能性があります。

例

いくつかのサイクルは典型的な燃焼場所（内部または外部）を持っていますが、多くの場合、それらは他方で実装することができます。例えば、ジョン・エリクソン^[9]は、初期のディーゼルサイクルに非常によく似たサイクルで動作する外部加熱エンジンを開発しました。さらに、外部加熱エンジンは、多くの場合、オープンサイクルまたはクローズドサイクルで実装できます。クローズドサイクルでは、作動流体はサイクルの完了時にエンジン内に保持されますが、オープンサイクルでは、作動流体は、内燃機関の場合は燃焼生成物と一緒に環境と交換され、蒸気エンジンやタービンなどの外燃機関の場合は単に環境に放出されます。

日常的な例

熱機関の日常的な例としては、火力発電所、内燃機関、銃器、冷蔵庫、ヒートポンプなどがあります。発電所は、順方向に稼働する熱機関の例で、熱は高温の貯蔵庫から低温の貯蔵庫に流れ込み、目的の製品として仕事を生成します。冷蔵庫、エアコン、ヒートポンプは逆方向に稼働する熱機関の例です。つまり、仕事を使用して低温の熱エネルギーを取り出し、仕事を熱に単純に変換するよりも効率的な方法 (摩擦または電気抵抗による) で温度を上昇させます。冷蔵庫は、低温の熱密閉室内から熱を取り除き、高温の廃熱を環境に放出します。ヒートポンプは、低温環境から熱を取り除き、それを高温の熱密閉室 (家屋) に「放出」します。

一般に熱機関は、気体の法則に従った気体の膨張と圧縮に関連する熱特性、または気体と液体の状態間の相変化に関連する特性を利用します。

地球の熱機関

地球の大気と水圏（地球の熱機関）は、地球全体に熱を分配する際に、表面水の蒸発、対流、降雨、風、海洋循環を通じて太陽熱の不均衡を常に均一化する結合プロセスです。^[10]

ハドレー循環は熱機関の一例です。地球の赤道域における暖かく湿った空気の上昇と亜熱帯における冷たい空気の下降によって、熱駆動による直接循環が形成され、結果として運動エネルギーが正味に生産されます。^[11]

相変化サイクル

相変化サイクルおよびエンジンでは、作動流体は気体と液体です。エンジンは作動流体を気体から液体へ、液体から気体へ、あるいはその両方に変換し、流体の膨張または圧縮によって仕事を生成します。

ランキンサイクル（古典的な蒸気機関）
再生サイクル（ランキンサイクルよりも効率的な蒸気機関）
有機ランキンサイクル（氷と熱い液体水の温度範囲での冷媒変化段階）
蒸気から液体へのサイクル（ドリンキングバード、インジェクター、ミントホイール）
液体から固体へのサイクル（凍上– 水が氷から液体に変化し、再び氷に戻ることで岩が最大 60 cm 持ち上げられる）
固体からガスへのサイクル（銃器 - 固体推進剤が燃焼して高温のガスになります。）

ガスのみのサイクル

これらのサイクルとエンジンでは、作動流体は常にガスです（つまり、相変化はありません）。

カルノーサイクル（カルノー熱機関）
エリクソンサイクル（カロリーシップジョン・エリクソン）
スターリングサイクル（スターリングエンジン、^[12] 熱音響装置）
内燃機関（ICE）：
- オットーサイクル（例：ガソリンエンジン）
- ディーゼルサイクル（例：ディーゼルエンジン）
- アトキンソンサイクル（アトキンソンエンジン）
- ブレイトンサイクルまたはジュールサイクル、元々はエリクソンサイクル（ガスタービン）
- レノアサイクル（例：パルスジェットエンジン）
- ミラーサイクル（ミラーエンジン）

液体のみのサイクル

これらのサイクルとエンジンでは、作動流体は常に液体のようなものです。

スターリングサイクル（マローンエンジン）

電子サイクル

磁気サイクル

熱磁気モーター（テスラ）

冷凍に使用されるサイクル

家庭用冷蔵庫はヒートポンプの一例です。これは逆向きの熱機関です。仕事は熱差を生み出すために使われます。多くのサイクルは逆方向に動作し、冷たい側から熱い側へ熱を移動させることで、冷たい側はより冷たく、熱い側はより熱くなります。これらのサイクルを内燃機関で実現したものは、その性質上、可逆ではありません。

冷凍サイクルには次のものがあります:

蒸発熱機関

バートン蒸発エンジンは、水を蒸発させて熱い乾燥した空気を発生させ、電力と冷却された湿った空気を生成するサイクルに基づいた熱エンジンです。

メソスコピック熱機関

メソスコピック熱機関は、熱流束を処理し、小さなスケールで有用な仕事を行うという目的を果たすナノスケールのデバイスです。潜在的な応用としては、例えば電気冷却装置などが挙げられます。このようなメソスコピック熱機関では、動作サイクルあたりの仕事量は熱雑音によって変動します。任意の熱機関によって行われる仕事の指数の平均と、より高温の熱浴からの熱伝達との間には、厳密な等式が存在します。^[13] この関係は、カルノーの不等式を厳密な等式に変換します。この関係は、カルノーサイクルの等式でもあります。

効率

熱機関の効率は、与えられた量の熱エネルギー入力に対してどれだけの有用な仕事が出力されるかに関係します。

熱力学の法則によれば、サイクルが完了した後、次のようになります。^[14]

W+Q=\Delta _{cycle}U=0

そしてそれゆえ

W=-Q=-(Q_{c}+Q_{h})

どこ

W=-\oint PdV

は、1サイクルでエンジンから取り出される正味仕事量です。（IUPACの慣例によれば、仕事はエンジンによって行われるため、負の値となります。）

Q_{h}>0

1サイクルで周囲の高温熱源から奪う熱エネルギーです。（エンジンに熱エネルギーが加わるので正となります。）

Q_{c}=-|Q_{c}|<0

エンジンから低温のヒートシンクに放出される廃熱です。（エンジンからヒートシンクに熱が失われるため、負の値になります^{[14] 。）}

言い換えれば、熱機関は高温の熱源から熱エネルギーを吸収し、その一部を有用な仕事に変換し、残りを廃熱として低温のヒートシンクに放出します。

一般的に、ある熱伝達プロセスの効率は、「取り出されるもの」と「投入されるもの」の比によって定義されます。（冷蔵庫やヒートポンプは、逆回転する熱機関とみなすことができますが、これは性能係数であり、1以上です。）エンジンの場合、仕事を取り出すためには、例えば燃料の燃焼によって熱を投入する必要があるため、エンジン効率は次のように定義されます。 $Q_{h}$

\eta ={\frac {|W|}{Q_{h}}}={\frac {Q_{h}+Q_{c}}{Q_{h}}}=1+{\frac {Q_{c}}{Q_{h}}}=1-{\frac {|Q_{c}|}{Q_{h}}}

エンジンの動力行程が再び発生する前に、低温での再圧縮中に廃熱がコールドシンクに不可避的に失われるため（および対応する圧縮作業が行われるため）、効率は 100% 未満になります。 $Q_{c}<0$

熱機関の理論上の最大効率は、その熱機関が動作する温度範囲によってのみ決まります。この効率は通常、カルノー熱機関のような理想的な仮想熱機関を用いて導出されますが、異なるサイクルを用いる他の熱機関でも最大効率を達成できます。数学的には、1サイクル終了後、エントロピーの変化は全体でゼロになります。

$\ \ \ \Delta S_{h}+\Delta S_{c}=\Delta _{cycle}S=0$

は正であることに注意する。これは、動力行程における等温膨張が作動流体の多重度を増加させるからである。一方、は負であることは、再圧縮が多重度を減少させるからである。エンジンが理想的で可逆的に作動する場合、、となり、したがって^[15]^[14] $\Delta S_{h}$ $\Delta S_{c}$ $Q_{h}=T_{h}\Delta S_{h}$ $Q_{c}=T_{c}\Delta S_{c}$

$Q_{h}/T_{h}+Q_{c}/T_{c}=0$ 、

これにより、熱機関効率のカルノー限界が得られる。 $Q_{c}/Q_{h}=-T_{c}/T_{h}$

\eta _{\text{max}}=1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}

ここで、は高温源と低温シンクの絶対温度であり、通常はケルビン単位で測定されます。 $T_{h}$ $T_{c}$

これが最大効率である理由は以下の通りである。まず、カルノー機関よりも効率的な熱機関が実現可能であれば、それをヒートポンプとして逆方向に駆動できると仮定する。数学的解析を用いると、この仮定の組み合わせによってエントロピーが正味減少することが示される。熱力学第二法則によれば、これは統計的に排除限界まで起こりにくいため、カルノー効率はあらゆる熱力学サイクルの信頼できる効率の理論的な上限となる。

経験的に、カルノーサイクル熱機関よりも高い効率で動作する熱機関はこれまで存在しません。

図2と図3は、カルノーサイクルの効率が温度によってどのように変化するかを示しています。図2は、圧縮機入口温度が一定の場合、熱付加温度が上昇すると効率がどのように変化するかを示しています。図3は、タービン入口温度が一定の場合、熱排出温度が上昇すると効率がどのように変化するかを示しています。

内部可逆熱機関

カルノーサイクルは、その性質上、温度勾配が極小でなければなりません。これは、温度の異なる2つの物体間の熱移動は不可逆であるため、カルノー効率の式は極小の極限にのみ適用されます。大きな問題は、ほとんどの熱機関の目的が出力電力であり、極小電力が求められることはほとんどないということです。

理想的な熱機関効率の別の尺度は、内可逆熱力学の考察によって与えられ、この系は可逆なサブシステムに分割されるが、サブシステム間の相互作用は非可逆である。古典的な例としては、カーゾン・アールボーン機関^[16]がある。これはカルノー機関に非常に似ているが、温度およびの熱貯蔵庫が、可逆カルノーサイクルを通過する物質の温度とは異なることが許される。そして。貯蔵庫と物質の間の熱伝達は、伝導性（かつ不可逆）であり、形式で表される。この場合、出力と効率の間でトレードオフを行う必要がある。機関が非常に低速で運転される場合、熱流束は低く、古典的なカルノー結果は $T_{h}$ $T_{c}$ $T'_{h}$ $T'_{c}$ $dQ_{h,c}/dt=\alpha (T_{h,c}-T'_{h,c})$ $T\approx T'$

\eta =1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}

、

しかし、その代償として出力はゼロになる。エンジンを最大出力で運転することを選択した場合、効率は

\eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}

（注：Tの単位はKまたは°R）

このモデルは、現実世界の熱機関がどの程度うまく機能するかをより正確に予測します (Callen 1985、内可逆熱力学も参照)。

図に示すように、Curzon–Ahlborn 効率は観測されたものに非常に近いモデルです。

歴史

熱機関は古代から知られていましたが、実用的な装置として実用化されたのは18世紀の産業革命の時代になってからでした。現在も開発が続けられています。

機能強化

エンジニアたちは、与えられた動力源から抽出できる利用可能な仕事量を向上させるため、様々な熱機関サイクルを研究してきました。カルノーサイクルの限界は、いかなるガスベースのサイクルでも到達できませんが、エンジニアたちはその限界を回避する少なくとも2つの方法と、ルールを曲げることなく効率を向上させる1つの方法を発見しました。

熱機関の温度差を大きくする。最も簡単な方法は、高温側の温度を上げることで、これは現代の複合サイクルガスタービンで使用されているアプローチです。残念ながら、物理的限界（エンジンの製造に使用する材料の融点など）やNO _x_{生成に関する環境上の懸念（熱源が外気との燃焼である場合）により、動作可能な熱機関の最高温度は制限されます。現代のガスタービンは、許容可能な NO x}出力を維持するために必要な温度範囲内で可能な限り高い温度で稼働します^[要出典]。効率を上げる別の方法は、出力温度を下げることです。これを行う新しい方法の 1 つは、混合化学作動流体を使用し、混合物の変化する挙動を利用することです。最も有名なものの一つは、いわゆるカリーナサイクルで、作動流体としてアンモニアと水を70/30 の割合で使用します。この混合物により、サイクルは他のほとんどのプロセスよりもかなり低い温度で有用な電力を生成できます。
作動流体の物理的特性を活用する。最も一般的な活用法は、臨界点を超える水（超臨界水）の使用である。臨界点を超えると流体の挙動は劇的に変化するため、水や二酸化炭素などの物質を用いることで、従来のブレイトンサイクルやランキンサイクルを用いた場合でも、これらの挙動変化を利用して熱機関からより高い熱力学的効率を引き出すことができる。このような用途において、より新しく非常に有望な材料は超臨界CO 2 である。SO 2_やキセノン_も、このような用途で検討されている。欠点としては、腐食や浸食の問題、臨界点の上下における化学的挙動の違い、必要な高圧、そして二酸化硫黄（二酸化硫黄ほどではないが二酸化炭素の場合）の毒性などが挙げられる。上記の化合物の中で、キセノンはほぼすべての同位体が中性子吸収断面積が大きいため、原子炉での使用には最も適していない。一方、二酸化炭素と水は、熱スペクトル原子炉の中性子減速材としても使用できる。
作動流体の化学的性質を活用する。比較的新しく斬新な手法として、有利な化学的性質を持つ特殊な作動流体を利用するという手法がある。その一つが二酸化窒素（NO ₂）である。これはスモッグの有毒成分で、天然の二量体である四酸化二窒素（N ₂ O ₄）を持つ。低温でN ₂ O ₄を圧縮し、加熱する。温度上昇により、N ₂ O _{4は2つのNO}₂分子に分解する。これにより作動流体の分子量が低下し、サイクル効率が飛躍的に向上する。タービンを通過したNO _2はヒートシンクによって冷却され、N ₂ O ₄に再結合する。このN 2 O 4 は、コンプレッサーによって次のサイクルに送り返される。臭化アルミニウム（Al ₂ Br ₆）、NOCl、Ga ₂ I ₆などは、こうした用途で研究されてきた。これまで、効率向上が期待できるにもかかわらず、これらの欠点は使用を正当化するものではない。^[17]

熱機関のプロセス

各プロセスは次のいずれかになります。

等温（熱源または熱シンクから熱を加えたり除去したりして一定の温度に維持される）
等圧（一定圧力）
等尺性/等容積性（一定容積）、等容積性とも呼ばれる
断熱的（断熱プロセス中にシステムから熱が加えられたり除去されたりしない）
等エントロピー（可逆断熱過程、等エントロピー過程中に熱は加えられず、除去されない）

参照

カルノー熱機関
コージェネレーション
アインシュタイン冷蔵庫
ヒートポンプ
ピストンエンジンの仕組みの一般的な説明については、レシプロエンジンを参照してください。
スターリングエンジン
熱合成
熱機関技術の年表

参考文献

ウィキメディアコモンズには、熱機関に関連するメディアがあります。

^ 『古典熱力学の基礎』第3版、159ページ、(1985年) GJ Van Wylen、R.E. Sonntag著：「熱機関とは、熱力学的サイクルで動作し、高温物体から低温物体への熱伝達の結果として、一定量の正味の正の仕事を行う装置と定義できます。多くの場合、熱機関という用語は、熱力学的サイクルで動作していなくても、熱伝達または燃焼によって仕事を生成するすべての装置を含む、より広い意味で使用されます。内燃機関とガスタービンはそのような装置の例であり、これらを熱機関と呼ぶことはこの用語の許容される用法です。」
^ 熱機関の機械効率、p. 1 (2007)、James R. Senf著：「熱機関は熱エネルギーから機械エネルギーを供給するために作られています。」
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^ 熱物理学：エントロピーと自由エネルギー、Joon Chang Lee著（2002年）、付録A、183ページ：「熱機関は熱源からエネルギーを吸収し、それを仕事に変換します。…エンジンが熱エネルギーを吸収すると、吸収された熱エネルギーにはエントロピーが伴います。」（熱エネルギー）、「一方、エンジンが仕事をしているときは、エントロピーはエンジンから放出されません。これは問題です。安定した仕事源を提供するために、エンジンがこのプロセスを何度も繰り返す必要があります。…そのためには、エンジン内の作業物質は1サイクル後に初期の熱力学的状態に戻らなければなりません。そのためには、残りのエントロピーを除去する必要があります。エンジンはこれを一方向にしか行うことができません。吸収した熱エネルギーの一部を仕事に変換せずに放出しなければならないのです。したがって、エンジンは入力エネルギーのすべてを仕事に変換することはできません。」 $\Delta Q=T\Delta S$
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ロビンソン、クラーク（1943年）『銃器の熱力学』マグロウヒル・ブック・カンパニー社