エネルギー変換

一般的に、熱力学は、サイクル、つまり2つの熱力学的変数の位相空間に沿ったプロセスステップで構成される閉じた経路の観点からエネルギー変換を研究します。 ^{[ 6 ]}熱を高温から低温に伝達して仕事を生成するサイクルは、熱機関または動力サイクルと呼ばれます。熱機関は、実装するサイクルの種類に基づいて分類できます。熱機関として使用できるサイクルの例には、カルノーサイクル、ランキンサイクル、ブレイトンサイクル、スターリングサイクルなどがあります。異なるサイクルは最大効率が異なり、特定の用途に実装するのに実用的である場合とそうでない場合があります。^{[ 7 ]}熱機関の熱力学的解析では、通常、各プロセスステップで実行される仕事、熱入力、およびエネルギー変換の全体的な効率などの量を計算することを目的としています。電力網のエネルギー生成は、蒸気発電所、石炭火力発電所、ガスタービンエンジンなどのシステムで行われ、これらはすべてさまざまな種類の熱機関として説明できます。^{[ 6 ]}

前述のように、熱を100%の効率で仕事に変換することはできないため、利用可能な自由エネルギーの量は常に安定しているか減少しています。しかし、自由エネルギーを他の種類の自由エネルギーに変換することはエネルギー保存則によってのみ制約されるため、理論的には100%の効率で起こり得ます。^{[ 8 ]}自由エネルギーが失われないプロセスを可逆変換と呼び、損失のあるプロセスを不可逆変換と呼びます。^{[ 6 ]}熱力学と情報科学 の密接な関係により、可逆性は計算、特に熱の発生が特に望ましくない量子コンピューティングにおいて重要な役割を果たします。 ^{[ 9 ]}ほとんどのエネルギー変換プロセスは不可逆であり、宇宙の仮説上の運命の1つは、最終的にすべての自由エネルギーが役に立たない拡散平衡熱に変換されることです。この運命は「熱的死」または「ビッグフリーズ」として知られています。^{[ 10 ]}

実際には、自由エネルギーの熱への変換は、摩擦、抗力、電気抵抗、長波長電磁放射の直接生成、または同様のプロセスとして観測できます。摩擦と抗力は真空中では最小限であり、たとえば、宇宙空間における天体の軌道上では、重力ポテンシャルエネルギーを運動エネルギーに非常に低い損失で変換できます。ケプラーの法則は基本的に自由エネルギーの損失がないことを前提としています。^{[ 11 ]}同様に、超伝導体は直流電流に対する抵抗がなく、交流電流に対する抵抗も低いため、電気エネルギーを使用して超伝導量子ビットで可逆計算を実行できます。^{[ 9 ]}

熱機関では、2つの領域間の温度差を利用することで熱を仕事に変換できます。熱力学第二法則を記述する方法の1つは、エントロピーの観点から記述することです。この定式化では、任意のプロセスによるエントロピーの総変化は2つの要素から構成されると述べています。${\textstyle (dS)_{f}}$そして${\textstyle (dS)_{g}}$それぞれ、環境からシステムへのエントロピー流入とシステム内部で生成されるエントロピーに対応する。^{[ 6 ]}総エントロピーは減少しないため、${\textstyle (dS)_{g}}$は常に0以上である。エントロピーの流れは熱の流れと密接に関係している。${\textstyle \delta Q}$およびプロセス温度：

${\displaystyle (dS)_{f}={\frac {\delta Q}{T}}}$。

エントロピーを生成するために使用される熱流は、仕事に利用できる熱量を減少させるため、エンジンの効率が低下します。この方程式はまた、システムが熱平衡状態にあるとき、つまり熱流が停止し、エネルギーが一定に保たれているとき、エントロピーが最大化されることを意味します。^{[ 6 ]}

エネルギー変換をより効率的にするためには、熱を仕事に変換するステップの数を最小限に抑えることが望ましい。例えば、原子炉では、原子核の運動エネルギーがまず熱エネルギーに変換され、次に電気エネルギーに変換されるため、効率は約35%である。^{[ 12 ] [ 13 ]}中間的な熱エネルギー変換を排除して運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換することで、エネルギー変換プロセスの効率を劇的に向上させることができる。^{[ 14 ]}

ビッグバンで生成された水素が惑星などの構造に集積する際に、重力ポテンシャルの一部が直接熱に変換される過程で、エネルギーの直接変換が起こります。例えば、木星、土星、海王星では、惑星の巨大なガス大気の継続的な収縮による熱が、惑星の気象システムの大部分を駆動し続けています。大気帯、風、強力な嵐からなるこれらのシステムは、太陽光によって部分的にしか駆動されていません。しかし、天王星では、このプロセスはほとんど起こりません。これは、他の巨大ガス惑星と比較して、天王星が内部から放出する熱が非常に少ないためと考えられます。これは、過去の巨大衝突によって原始的な熱の大部分が放出されたか、効率的な熱輸送を阻害する内部構造による可能性があります。^{[ 15 ]}

地球においては、惑星内部からの熱放出のかなりの部分（全体の3分の1から半分と推定される）は、惑星物質がゆっくりとより小さなサイズに崩壊することによって発生する熱によって引き起こされている。

ビッグバンからエネルギーを変換する他のプロセスの身近な例としては、核崩壊が挙げられます。これは、ウランやトリウムなどの重同位体に元々「蓄えられていた」エネルギーを放出するプロセスです。このエネルギーは、これらの元素の核合成時に蓄えられました。このプロセスでは、II型超新星の崩壊によって放出される重力ポテンシャルエネルギーを利用して、太陽系や地球などの恒星系に取り込まれる前にこれらの重元素を生成します。ウランに閉じ込められたエネルギーは、ほとんどの放射性崩壊の際に自然に放出され、核分裂爆弾では突然放出されることもあります。どちらの場合も、原子核を結合させているエネルギーの一部が熱として放出されます。

宇宙の黎明期から始まる同様の一連の変化において、太陽における水素の核融合は、ビッグバン時に生成された別の位置エネルギーを放出します。ある理論によれば、当時、宇宙空間は膨張し、水素がより重い元素に完全に融合するには宇宙が急速に冷却されすぎました。その結果、水素は核融合によって放出される位置エネルギーの貯蔵庫となりました。このような核融合プロセスは、水素雲が星を生成する際の重力崩壊によって発生する熱と圧力によって引き起こされ、核融合エネルギーの一部は星の光に変換されます。太陽系を考えると、圧倒的に太陽から発せられる星の光は、地球に到達した後、再び重力による位置エネルギーとして蓄積される可能性があります。これは、雪崩の場合や、海から水が蒸発して海面より高い場所に降水として堆積する場合（水力発電ダムで放出された後、タービン/発電機を駆動して発電するために使用できます）に起こります。

太陽光は地球上の多くの気象現象を引き起こす要因でもあります。例えばハリケーンは、数ヶ月かけて温められた不安定な温暖な海域が、その熱エネルギーの一部を突然放出することで、数日間の激しい空気の動きを生み出す現象です。また、太陽光は植物によって光合成を通して化学ポテンシャルエネルギーとして取り込まれます。光合成では、二酸化炭素と水が炭水化物、脂質、酸素の可燃性化合物に変換されます。このエネルギーは、森林火災のように火花によって突然放出される場合もあれば、動物や人間の代謝において、これらの分子が摂取され、酵素の作用によって異化作用が引き起こされることで、よりゆっくりと利用される場合もあります。

こうした一連の変換過程を通して、ビッグバン時に蓄えられた位置エネルギーは、後に中間的な事象によって放出されます。放出の間隔が長い場合、より活性なエネルギーとして、さまざまな形で長期間蓄えられることもあります。これらの事象はすべて、熱を含む、ある種類のエネルギーが別の種類のエネルギーに変換される過程を伴います。

石炭火力発電所では、次のようなエネルギー変換が行われます。^{[ 16 ] [ 17 ]}

1. 石炭に含まれる化学エネルギーは、ボイラーで石炭を燃焼させて排ガスを発生させることで、熱エネルギーに変換される。
2. ボイラー内の排ガスの熱エネルギーは、排ガスとボイラー水との間の熱交換によって、高圧蒸気の熱エネルギーと運動エネルギーに変換される。
3. 蒸気がタービンに流れ込む際、蒸気の運動エネルギーは機械エネルギーに変換される。
4. タービンの機械エネルギーは、発電機を回転させることで電気エネルギーに変換される。これが最終的な出力である。

このようなシステムでは、第1段階と第4段階の効率は非常に高いが、第2段階と第3段階の効率は低い。他のタイプの発電所はより効率的である可能性がある。例えば、2019年の米国の天然ガス発電所は、燃料に蓄えられたエネルギーの45%を使用可能な電気エネルギーに変換した。^{[ 18 ]}それに対し、石炭火力発電所は、蓄えられたエネルギーのわずか33%しか電気エネルギーに変換しなかった。

従来の自動車では、以下のエネルギー変換が発生します。

1. 燃料中の化学エネルギーは、燃焼によって膨張するガスの運動エネルギーに変換される。
2. 膨張するガスの運動エネルギーが直線的なピストン運動に変換される
3. 直線ピストン運動を回転クランクシャフト運動に変換
4. 回転クランクシャフトの動きがトランスミッションアセンブリに伝達される
5. 回転運動がトランスミッションアセンブリから排出される
6. 差動機構を介して回転運動が伝わる
7. 差動装置から駆動輪へ回転運動が伝達される
8. 駆動輪の回転運動が車両の直線運動に変換される

自然界にも人工物にも、あるエネルギー形態を別のエネルギー形態に変換する変換器として機能する様々なシステムが存在する。^{[ 19 ]}以下にその例をいくつか挙げる。

• ATP加水分解（アデノシン三リン酸の化学エネルギー→機械エネルギー）
• 電池（電気）（化学エネルギー → 電気エネルギー）
• 発電機（運動エネルギーまたは機械的仕事→ 電気エネルギー）
• 電気ヒーター（電気エネルギー→熱）
• 火（化学エネルギー→熱と光）
• 摩擦（運動エネルギー→熱）
• 燃料電池（化学エネルギー→電気エネルギー）
• 地熱発電（熱→電気エネルギー）
• 自動車に使われている内燃機関や蒸気機関（熱→機械エネルギー）などの熱機関
• 水力発電ダム（重力ポテンシャルエネルギー→ 電気エネルギー）
• 電灯（電気エネルギー→熱と光）
• マイクロフォン（音→電気エネルギー）
• 海洋温度差発電（熱エネルギー→電気エネルギー）
• 光合成（電磁波 → 化学エネルギー）
• 圧電効果（歪み→電気エネルギー）
• 無線送信機（電気エネルギー → 電磁波エネルギー）
• 熱電変換（熱エネルギー→電気エネルギー）
• 波力発電（機械エネルギー→電気エネルギー）
• 風車（風力エネルギー→電気エネルギーまたは機械エネルギー）