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熱機関は、熱エネルギーを伝達して機械的または電気的な仕事を行うシステムです。[ 1 ] [ 2 ]もともとは機械エネルギーの文脈で考えられた熱機関の概念は、少なくとも19世紀後半以降、特に電気エネルギーなど、他のさまざまな種類のエネルギーに適用されてきました。 [ 3 ] [ 4 ]熱機関は、作動物質をより高い状態温度からより低い状態温度に移動させることによってこれを実現します。熱源は、作動物質をより高い温度状態にする熱エネルギーを供給します。作動物質は、エンジンの作動体で仕事をし、より低い温度状態に達するまで、より低温のシンクに熱を伝達します。このプロセス中に、作動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。作動物質は、ゼロでない熱容量を持つ任意のシステムですが、通常は気体または液体です。このプロセス中に、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、機械機関では、摩擦と抵抗のために一部のエネルギーが使用できません。
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、その効率がカルノーの熱力学の定理によって根本的に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 ]この効率制限は欠点となる場合もありますが、熱機関の利点は、発熱反応（燃焼など）、核分裂、光や高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をカバーしています。
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。一般的に、「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。したがって、例えば、ディーゼルエンジンはディーゼルサイクルを実現する機械です。
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、指示線図などのツールを用いて、稼働中の機関からの実際のデータで改良・拡張することができる。実際の熱機関の実装で、その基礎となる熱力学サイクルと完全に一致するものはごくわずかであるため、熱力学サイクルは機械機関の理想的なケースであると言えるだろう。いずれにせよ、機関とその効率を完全に理解するには、（簡略化または理想化された）理論モデル、実際の機械機関の実用的なニュアンス、そして両者の相違点について十分に理解する必要がある。
一般的に、高温源と低温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、あらゆる熱機関の低温側は、周囲の環境温度に近いか、300ケルビンよりかなり低くならないよう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、材料の限界内で熱源の温度を上げることに焦点を当てています。熱機関の理論上の最大効率 (どの機関も達成したことのない値) 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様々な熱機関の効率には大きな幅がある。
これらのプロセスの効率は、おおよそプロセス全体の温度降下に比例する。ポンプなどの補助機器によって相当量のエネルギーが消費される場合があり、結果として効率が低下する。
サイクルによっては、典型的な燃焼場所（内部または外部）があるものの、多くの場合、もう一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[ 10 ]は、初期のディーゼルサイクルと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、開放サイクルまたは閉鎖サイクルで実装できます。閉鎖サイクルでは、サイクルの完了時に作動流体がエンジン内に保持されますが、開放サイクルでは、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、蒸気機関やタービンなどの外部燃焼エンジンの場合は単に環境に排出されます。
日常的な熱機関の例としては、火力発電所、内燃機関、銃器、冷蔵庫、ヒートポンプなどが挙げられます。発電所は、熱が高温の熱源から低温の熱源へと流れ、目的の生成物として仕事を生み出す、順方向の熱機関の例です。冷蔵庫、エアコン、ヒートポンプは、逆方向に作動する熱機関の例です。つまり、低温の熱エネルギーを取り込んで温度を上げるために仕事を利用しますが、これは単純な仕事から熱への変換（摩擦または電気抵抗による）よりも効率的な方法です。冷蔵庫は、低温の密閉された室内から熱を取り除き、高温の廃熱を周囲に放出します。ヒートポンプは、低温の環境から熱を取り出し、高温の密閉された室内（家）に「放出」します。
一般的に、熱機関は、気体の法則に従った気体の膨張と圧縮に伴う熱特性、あるいは気体と液体の状態間の相変化に伴う特性を利用する。
地球の大気圏と水圏（地球の熱機関）は、地表水の蒸発、対流、降雨、風、海洋循環を通じて太陽熱の不均衡を絶えず均一化し、地球全体に熱を分配する連動したプロセスである。[ 11 ]
ハドレー循環は熱機関の一例である。これは、地球の赤道域で暖かく湿った空気が上昇し、亜熱帯で冷たい空気が下降することによって、熱駆動による直接的な循環が生じ、結果として運動エネルギーが正味で生成される。[ 12 ]
相変化サイクルやエンジンでは、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、あるいはその両方へと変化させ、流体の膨張または圧縮によって仕事を生み出します。
これらのサイクルやエンジンでは、作動流体は常に気体である（つまり、相変化は起こらない）。
これらのサイクルやエンジンでは、作動流体は常に液体のような状態である。
家庭用冷蔵庫はヒートポンプの一例です。ヒートポンプとは、熱機関を逆にしたようなものです。熱源を利用して温度差を生み出します。多くのサイクルは逆方向に作動させることができ、冷側から温側へ熱を移動させることで、冷側を冷たく、温側を熱くすることができます。しかし、内燃機関におけるこれらのサイクルは、その性質上、逆方向には作動しません。
冷凍サイクルには以下が含まれます。
バートン蒸発機関は、水を蒸発させて高温の乾燥空気中に放出することで、動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機関である。
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に役立つ可能性のあるナノスケールデバイスです。潜在的な用途には、例えば電気冷却装置などがあります。このようなメソスコピック熱機関では、熱雑音のために、動作サイクルあたりの仕事が変動します。任意の熱機関によって実行される仕事の指数の平均と、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。[ 14 ] 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。
熱機関の効率とは、一定量の熱エネルギー入力に対して、どれだけの有効な仕事が出力されるかを示す指標である。
そのため
どこ
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、その一部を有効な仕事に変換し、残りを廃熱として低温の熱吸収源に放出する。
一般的に、特定の熱伝達プロセスの効率は、「取り出される熱量」と「投入される熱量」の比で定義されます。（逆方向に作動する熱機関とみなせる冷蔵庫やヒートポンプの場合、これは成績係数であり、1以上です。）エンジンの場合、仕事を取り出すためには熱を投入する必要があります。例えば燃料の 燃焼から、エンジン効率は次のように定義される。
廃熱のため、効率は100%未満です。エンジンの動力行程が再び発生する前に、低温での再圧縮に必要な間に、冷気によって必然的に失われる（そしてそれに伴う圧縮仕事が行われる） 。
あらゆる熱機関の理論上の最大効率は、その機関が作動する温度範囲のみに依存します。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、異なるサイクルを使用する他の機関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、全体のエントロピー変化はゼロになります。
ご了承くださいは、動力行程における等温膨張により作動流体の多重度が増加するため正である。再圧縮によって多重度が減少するため、負の値になります。エンジンが理想的で可逆的に作動する場合、そして、したがって[ 16 ] [ 15 ]
これによりしたがって、熱機関の効率のカルノー限界は、
どこは熱源の絶対温度であり、冷水シンクの温度で、通常はケルビンで測定されます。
これが最大効率となる理由は次のとおりです。まず、カルノー機関よりも効率的な熱機関が存在する場合、それを逆方向に駆動してヒートポンプとして使用できると仮定します。数学的解析を用いると、この仮定された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ます。熱力学第二法則によれば、これは統計的にあり得ないことであるため、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ります。
経験的に見て、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なかった。
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、熱供給温度の上昇に伴って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、放熱温度の上昇に伴って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、極めて小さな温度勾配で動作しなければなりません。これは、温度の異なる2つの物体間の熱伝達は不可逆的であるため、カルノー効率の式は極めて小さな極限においてのみ適用されるからです。大きな問題は、ほとんどの熱機関の目的は出力を得ることであり、極めて小さな出力はめったに求められないということです。
理想熱機関の効率の別の尺度は、可逆熱力学の考察によって与えられます。これは、システムが可逆的なサブシステムに分割され、それらの間に非可逆的な相互作用が存在するというものです。古典的な例は、カルノー機関と非常によく似ているカーゾン・アールボーン機関[ 17 ]ですが、熱源の温度がそして可逆カルノーサイクルを経る物質の温度とは異なることが許容される。そして熱源と物質間の熱伝達は、伝導性（かつ不可逆的）であるとみなされ、その形式は以下のとおりである。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ります。エンジンを非常にゆっくり運転すると、熱流束は低くなります。そして古典的なカルノーの結果が見つかる しかし、出力は低下する。代わりに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 （注：TはKまたは°Rなどの絶対温度単位で指定する必要があります。）
このモデルは、現実世界の熱機関がどれだけうまく機能するかをより正確に予測するのに役立つ（Callen 1985、内可逆熱力学も参照）。
図に示すように、カーゾン・アールボーン効率は観測値をはるかに正確にモデル化している。
熱機関は古代から知られていたが、実用的な装置として開発されたのは18世紀の産業革命期になってからのことである。そして、今日でもその開発は続けられている。
技術者たちは、与えられた動力源から引き出せる有効な仕事量を向上させるために、さまざまな熱機関サイクルを研究してきた。カルノーサイクルの限界は、どのガスベースのサイクルでも到達できないが、技術者たちはその限界を回避する少なくとも2つの方法と、規則を曲げることなく効率を向上させる1つの方法を発見した。
各プロセスは以下のいずれかです。
eqs.(39), (40), & (65)。
eq.(64)。
