熱機関とヒートポンプ

内部エネルギー、熱、仕事を変換する装置に熱機関とヒートポンプがある。 図1.15に二つの熱源で動作する熱機関とヒートポンプでの熱と仕事の作用の概要を示す。 熱機関とは高温熱源から熱を受け取り、一部を仕事として取り出し、残りの熱を低温熱源へ伝える系（装置）のことである。 熱機関は、蒸気を利用した蒸気機関車や、現在では自動車のエンジンや火力発電所、原子力発電所で利用され、高温熱源(燃料の燃焼など)と低温熱源（多くの場合、大気や海水） ^1.15の温度差で熱を伝える際に仕事を取り出す機械である。蒸気機関車であれば、機関車が仕事をされ速度が上がる（運動エネルギーが増える）。火力発電所や原子力発電所では、タービンが仕事をされ回転の運動エネルギーが増え、回転の運動エネルギーが電気エネルギーへと変換される。 図1.15のように今後熱機関の系は六角形状で表す。

また、ヒートポンプとは仕事をされることで低温熱源から熱を受け取り高温熱源へ熱を伝える系（装置）のことである。 ヒートポンプは冷蔵庫や冷凍庫、エアコン（暖房・冷房）に利用されており、仕事を与えられ低温熱源から高温熱源へ熱を伝える機械である。冷蔵庫では、庫内の低温の空気から室温の室内空気に熱を伝え庫内の温度を下げる。エアコンでは、夏季には室内から暑い室外に熱を伝え室内温度を下げ、冬季には寒い室外から熱を奪い室内を温め快適な環境を作る。 図のように今後ヒートポンプは中央がくびれた形で表す。

熱機関とヒートポンプは高温熱源と低温熱源と熱のやり取りをしており赤矢印で表している。仕事のやり取りは青矢印で表している^1.16。 熱機関・ヒートポンプ共に熱のやりとりをする対象として少なくとも高温熱源と低温熱源の二つの熱源が必要である。 このような働きをする装置で連続的に動作できるものを熱機関やヒートポンプと呼ぶ^1.17。

図 1.15: 熱機関とヒートポンプ

脚注

... 熱機関は、蒸気を利用した蒸気機関車や、現在では自動車のエンジンや火力発電所、原子力発電所で利用され、高温熱源(燃料の燃焼など)と低温熱源（多くの場合、大気や海水）^1.15

自動車のエンジンを例に取ると低温熱源は大気である。低温の大気と高温の燃焼温度との間に温度差があるため、圧力差が生じエンジンが動作する。燃焼温度と大気温度が同じ温度であれば圧力差は生じず、エンジンのピストンは動かない。

...熱機関とヒートポンプは高温熱源と低温熱源と熱のやり取りをしており赤矢印で表している。仕事のやり取りは青矢印で表している^1.16

図の矢印の向きとは関係なく、熱と仕事は系に入るものを正、出るものを負とする。

... このような働きをする装置で連続的に動作できるものを熱機関やヒートポンプと呼ぶ^1.17

2節 $^{\text{p.\pageref{sec-2ndLaw}}}$の脚注に示したようなピストンを引く操作で仕事を取り出すことができるが、ピストン位置を元に戻さないと連続的に動作できないため熱機関とは呼べない。

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