熱機関・熱効率・不可逆性

イントロ

熱を全部仕事にできるわけではない

熱機関は、高温部から受け取った熱の一部を仕事として取り出す装置です。入った熱のすべてが仕事になるわけではなく、一部は低温部へ出ていきます。

定義

教科書では: 高温部から熱を受け取り、その一部を仕事として取り出す装置です。
言いかえると: エンジンのような熱機関では、燃料などから得た熱を使って仕事を取り出します。ただし、受け取った熱をすべて仕事に変えることはできず、使い切れない熱が低温側へ出ていきます。

公式

受け取った熱のうち、どれだけ仕事として取り出せたかを割合で見ます。

熱効率

η = W_outQ_in

受け取った熱量 Q_in のうち、仕事 W_out として取り出せた割合です。

使うときのコツ

百分率で表すときは、最後に100をかけます。

解くコツ

入ってきた熱、取り出した仕事、捨てられる熱を図で分けてから式に入れます。

要点

熱機関は『熱を仕事に変える装置』ですが、入力された熱の行き先は仕事だけではありません。排熱まで含めて流れを読むと、熱効率の意味がはっきりします。

手順

例

場面: 熱機関が100Jの熱を受け取り、25Jの仕事を取り出した。
順に考えると: 熱効率は η = W_out / Q_in = 25 / 100 = 0.25 です。百分率で表すと25%です。残りの熱は低温部へ出ていくと考え、入ってきた熱がすべて仕事になるわけではないことを確認します。熱効率の計算では、取り出した仕事を分子、受け取った熱を分母にする向きを間違えないことが重要です。
ここが結論: この熱機関の熱効率は25%です。

注意

確認

Q1

100Jの熱を受け取り25Jの仕事を取り出す熱機関の熱効率はどれですか。

確認

Q1

熱効率100%が現実的でない理由として近いものはどれですか。

まとめ