熱機関

熱機関は、熱を使用可能なエネルギー、特に機械的エネルギーに変換し、機械的な仕事を行うために使用できるシステムです。^{[1] [2]}もともとは機械的エネルギーの文脈で考え出されましたが、熱機関の概念は、少なくとも19世紀後半から、他のさまざまな種類のエネルギー、特に電気エネルギーに適用されてきました。 ^{[3] [4]}熱機関は、作業物質を高温状態から低温状態に移行させることによってこれを行います。熱源は熱エネルギーを発生させ、作業物質を高温状態にします。作業物質は、エンジンの作業本体内で仕事を発生させると同時に、より冷たいシンクに熱を移動させ、より低温状態に到達させます。このプロセス中に、作業物質の特性を利用して、熱エネルギーの一部が仕事に変換されます。作業物質は、熱容量がゼロでない任意のシステムを使用できますが、通常は気体または液体です。このプロセス中、通常、一部の熱は周囲に失われ、仕事に変換されません。また、一部のエネルギーは摩擦と抗力のために使用できません。

一般に、エンジンとは、エネルギーを機械的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熱力学のカルノー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区別されます。^[5]この効率の制限は欠点となる可能性がありますが、熱機関の利点は、発熱反応（燃焼など）、核分裂、光または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、ほとんどの形態のエネルギーを簡単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をカバーしています。

熱機関は、実装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に使用され、「サイクル」はモデルに使用されます。

熱力学では、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使用し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使用して、稼働中のエンジンからの実際のデータで改良および拡張できる。熱機関の実際の実装がその基礎となる熱力学サイクルと正確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ケースであると言える。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、（おそらく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用的なニュアンス、および両者の相違点を十分に理解する必要があります。

一般的に言えば、高温の熱源と低温のシンクの温度差が大きいほど、サイクルの潜在的な熱効率は大きくなります。地球上では、熱機関の低温側は周囲の温度に近いか、300ケルビンよりあまり低くならない程度に制限されているため、さまざまな熱機関の熱力学的効率を改善するためのほとんどの取り組みは、物質的な制限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（どのエンジンも達成できない）は、高温端と低温端の温度差を高温端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）海洋発電提案では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用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。ポンプなどの補助装置によって大量のエネルギーが消費され、実質的に効率が低下します。

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、それらは多くの場合、他方と組み合わせて実装できます。たとえば、ジョン・エリクソン^{[9]は、以前の}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ともに環境と交換されるか、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。

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、熱は熱い貯蔵庫から冷たい貯蔵庫に流れ込み、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で温度を上げます (摩擦または電気抵抗による)。冷蔵庫は、低温の熱密閉チャンバー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チャンバー (家) 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。

地球の大気と水圏（地球の熱機関）は結合したプロセスであり、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します。^[10]

ハドレーセルは熱機関の一例です。地球の赤道地域で暖かく湿った空気が上昇し、亜熱帯地域で冷たい空気が下降することで、熱駆動による直接循環が生まれ、結果として運動エネルギーが生成されます。^[11]

相変化サイクルとエンジンでは、作動流体はガスと液体です。エンジンは作動流体をガスから液体へ、液体からガスへ、また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）
• 回生サイクル（ランキンサイクルよりも蒸気エンジンの方が効率的）
• 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却剤の変化段階）
• 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。）

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）

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）

• ジョンソン熱電エネルギー変換器
• 熱電（ペルチェ・ゼーベック効果）
• 熱ガルバニ電池
• 熱電子放出
• サーモトンネル冷却

• 熱磁気モーター（テスラ）

家庭用冷蔵庫はヒートポンプの一例です。ヒートポンプは、逆向きの熱機関です。熱差を生み出すために仕事が使われます。多くのサイクルは、逆向きに実行して冷たい側から熱い側へ熱を移動させ、冷たい側を冷たく、熱い側を熱くすることができます。これらのサイクルの内燃機関バージョンは、その性質上、可逆ではありません。

冷凍サイクルには以下が含まれます。

• エアサイクルマシン
• ガス吸収冷凍機
• 磁気冷凍
• スターリング冷凍機
• 蒸気圧縮冷凍
• ヴィユミエサイクル

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作り、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は、熱流束を処理し、小さなスケールで有用な作業を実行するという目的を果たす可能性のあるナノスケールのデバイスです。潜在的な用途には、たとえば電気冷却装置が含まれます。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作業は熱雑音のために変動します。任意の熱機関によって実行される作業の指数の平均と、より高温の熱浴からの熱伝達を関連付ける正確な等式があります。^[13] この関係は、カルノーの不等式を正確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。

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]

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

そしてそれゆえ

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

どこ

${\displaystyle W=-\oint PdV}$は、1 サイクルでエンジンから抽出される正味仕事です。( 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、負になります。)

${\displaystyle 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になります。）

${\displaystyle Q_{c}=-|Q_{c}|<0}$エンジンから低温ヒートシンクに放出される廃熱です。（エンジンから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。

一般に、与えられた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」の比率で定義されます。(冷蔵庫やヒートポンプは、逆方向に動作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、仕事を取り出す必要があり、たとえば燃料の燃焼から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。 ${\displaystyle Q_{h}}$

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

エンジンの動力行程が再び発生する前に、低温で必要な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（およびそれに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。 ${\displaystyle Q_{c}<0}$

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、カルノー熱機関などの理想的な仮想熱機関を使用して導き出されますが、異なるサイクルを使用する他のエンジンでも最大効率を達成できます。数学的には、完全なサイクルの後、エントロピーの全体的な変化はゼロになります。

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

は正であることに注意する。なぜなら、動力行程における等温膨張は作動流体の多重度を増加させるからである。一方、再圧縮は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]}${\displaystyle \Delta S_{h}}$${\displaystyle \Delta S_{c}}$${\displaystyle Q_{h}=T_{h}\Delta S_{h}}$${\displaystyle Q_{c}=T_{c}\Delta S_{c}}$

${\displaystyle Q_{h}/T_{h}+Q_{c}/T_{c}=0}$、

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

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

ここで、 は高温源の絶対温度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。 ${\displaystyle T_{h}}$${\displaystyle T_{c}}$

これが最大効率である理由は次の通りです。まず、カルノー エンジン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します。数学的分析により、この仮定の組み合わせによってエントロピーが正味で減少することを示すことができます。熱力学の第二法則により、これは統計的に起こりそうにないため、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上の上限となります。

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、コンプレッサ入口温度が一定の場合に、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に、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。

本質的に、最大効率のカルノー サイクルは、微小な温度勾配で動作する必要があります。これは、温度の異なる 2 つの物体間の熱の移動は不可逆であるため、カルノー効率の式は微小な限界にのみ適用されます。主な問題は、ほとんどの熱機関の目的が出力電力であり、微小な電力が求められることはほとんどないということです。

理想的な熱機関の効率の別の尺度は、内可逆熱力学を考慮することによって与えられ、この系は可逆なサブシステムに分割されるが、それらのサブシステム間の相互作用は非可逆である。古典的な例はカーゾン・アールボーンエンジン[16]で、カルノー^エンジン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容される。貯蔵庫と物質間の熱伝達は、形式で伝導性（かつ不可逆）であると考えられる。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。エンジンが非常にゆっくりと動作する場合、熱流束は低く、古典的なカルノーの結果が見つかる。 ${\displaystyle T_{h}}$${\displaystyle T_{c}}$${\displaystyle T'_{h}}$${\displaystyle T'_{c}}$${\displaystyle dQ_{h,c}/dt=\alpha (T_{h,c}-T'_{h,c})}$${\displaystyle T\approx T'}$

${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$、

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

${\displaystyle \eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}}$（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。

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 世紀の産業革命の頃でした。現在も開発が続けられています。

エンジニアは、特定の動力源から抽出できる使用可能な仕事量を改善するために、さまざま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、ガス ベースのサイクルでは決して達成できませんが、エンジニアは、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。

1. 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す。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方法です。残念ながら、物理的な制限（エンジンの製造に使用される材料の融点など）やNO _{x生成に関する環境上の懸念（熱源が周囲の空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が制限されます。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]。効率を上げるもう 1 つの方法は、出力温度を下げることです。そのための新しい方法の 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。最も有名な方法の 1 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 の割合で混合したものです。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。
2. 作動流体の物理的特性を利用する。最も一般的な利用法は、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材料を使用すると、ごく一般的なブレイトンサイクルやランキンサイクルを使用している場合でも、その挙動の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。このような用途に使用できる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、臨界点の上下での化学的挙動の違い、必要な高圧、そして二酸化硫黄や、それほどではないが二酸化炭素の場合は毒性などがある。上記の化合物のうち、キセノンは、ほぼすべてのキセノン同位体の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が、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。
3. 作動流体の化学的性質を利用する。かなり新しく斬新な方法として、有利な化学的性質を持つ特殊な作動流体を使用するという方法があります。その 1 つが二酸化窒素(NO ₂ ) です。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 ) を持っています。低温で N ₂ O ₄を圧縮してから加熱します。温度が上昇すると、各 N ₂ O _{4 が2 つの NO 2}分子に分解します。これにより作動流体の分子量が下がり、サイクルの効率が大幅に向上します。タービンを通って膨張した NO _2はヒートシンクによって冷却され、N ₂ O ₄に再結合します。次に、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ます。臭化アルミニウム(Al ₂ Br ₆ )、NOCl、Ga ₂ I ₆などの種は、すべてこのような用途で調査されています。これまでのところ、効率の向上が実現できるにもかかわらず、それらの欠点は使用を正当化していません。^[17]

各プロセスは次のいずれかです。

• 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）

• 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
• 熱機関技術のタイムライン

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。

• クローマー、ハーバート、キッテル、チャールズ (1980)。熱物理学(第 2 版)。WH フリーマン カンパニー。ISBN 0-7167-1088-9。
• Callen, Herbert B. (1985).熱力学と熱統計学入門(第 2 版). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8。
• ロビンソン、クラーク (1943)。『銃器の熱力学』。MaGraw-Hill Book Company Inc.