熱機関技術のタイムライン

この熱機関技術のタイムラインでは、熱機関が古代から知られていたが、17 世紀以降、関連するプロセスに関する理解が深まるにつれて、ますます有用な装置に発展してきた経緯を説明しています。熱機関とは、熱を機械エネルギーに変換するシステムであり、この機械エネルギーは機械的な作業を行うために使用できます。熱機関は現在も開発が続けられています。

工学と熱力学において、熱機関は、熱い「熱源」と冷たい「シンク」の間の温度勾配を利用して、熱 エネルギーを機械的仕事に変換します。熱は熱源からシンクに伝達され、このプロセスで熱の一部が仕事に変換されます。

ヒートポンプは、逆方向に動作する熱機関です。熱差を生み出すために作業が使用されます。タイムラインには、エンジンとポンプの両方に分類されるデバイスと、人類の理解における大きな飛躍が示されています。

• 先史時代 –東南アジアや太平洋諸島の部族が火を起こすために使用していた火ピストン。
• 紀元前450年頃 -タレントゥムのアルキタスは、蒸気の噴流を利用してワイヤーで吊るしたおもちゃの木の鳥を動かした。^[1]
• 西暦50年頃 -アレクサンドリアのヘロンのエンジン、別名アイオロスの運動。蒸気の噴流の反応によって生み出される回転運動を実証する。^[2]
• 10 世紀頃 - 中国で、火薬が入った竹筒と槍に結びつけられた榴散弾のような発射体を組み合わせた槍のような武器である、最も古い火槍が開発されました。
• 12世紀頃 - 中国、金属製の銃身と、高温のガスを前進運動に変換するのに最も効果的なぴったりとフィットする発射体が描かれた最古の銃の描写。 ^[3]
• 1125年 - ランスの学校の教授であったゲルバートは、熱した水で圧縮された容器から逃げる空気で吹くオルガンを設計し製作した。^[4]
• 1232年 -中国とモンゴルの戦いでロケットが初めて使用されたことが記録されています。(ロケットの発展の歴史については、ロケットとミサイル技術のタイムラインを参照してください。)
• 1500年頃 -レオナルド・ダ・ヴィンチが蒸気動力の大砲「アルキトネレ」を製作。 ^[5]
• 1543年 - スペイン海軍士官のブラスコ・デ・ガライが、大きな沸騰したやかんから噴出する水流の反動を利用して、オールや帆を使わずに推進する船を披露した。^[4]
• 1551年 -タキ・アルディンが串を回転させるために蒸気タービンを実演した。^[6]

• 1629年 -ジョヴァンニ・ブランカが蒸気タービンを実演。^[7]
• 1662年 -ロバート・ボイルが一定温度における気体の体積と圧力の関係を定義するボイルの法則を発表した。 ^[8]
• 1665年 -第二代ウスター侯爵エドワード・サマセットが蒸気噴水を建設。^[9]
• 1680年 -クリスティアーン・ホイヘンスが火薬で動くピストンエンジンの設計を発表したが、結局作られなかった。
• 1690年 -デニス・パパン- 最初のピストン式蒸気エンジンの設計図を作成。
• 1698年 -トーマス・セイヴァリが鉱山から水を汲み出すためのピストンレス蒸気駆動水ポンプを製作。

• 1707年 -デニス・パパン-ゴットフリート・ライプニッツと共同で2番目のピストン蒸気エンジンの設計図を作成。
• 1712 年 -トーマス ニューコメンが鉱山から水を汲み出すための、商業的に成功した最初のピストンとシリンダーの蒸気動力水ポンプを製作しました。これは大気圧エンジンとして知られ、シリンダー内で蒸気を凝縮して真空を発生させ、大気圧によってピストンを動かすことで作動します。
• 1748年 -ウィリアム・カレンがスコットランドのグラスゴー大学での公開講演で初の人工冷却を実演しました。
• 1759年 -ジョン・ハリソンは、 3番目の海洋クロノメーター（H3）にバイメタルストリップを使用し、テンプスプリングの温度による変化を補正しました。これにより、2つの異なる固体の熱膨張と収縮が機械的な仕事に変換されます。
• 1769年 -ジェームズ・ワットが初の改良型大気圧蒸気エンジンの特許を取得。シリンダーの外側に独立した凝縮器を備えたワット蒸気エンジンは、従来のエンジンの2倍の効率を実現しました。
• 1787年 -ジャック・シャルルが、気体の体積と温度の関係を記述するシャルルの法則を定式化しました。しかし、彼はこれを公表せず、1802年にジョセフ・ルイ・ゲイ＝リュサックがこれを開発して言及するまで、認知されませんでした。
• 1791年 -ジョン・バーバーがガスタービンのアイデアの特許を取得。
• 1799年 -リチャード・トレビシックが最初の高圧蒸気エンジンを製作。これは加圧蒸気の力を利用してピストンを動かすものでした。

• 1802年 -ジョゼフ・ルイ・ゲイ＝リュサックが、気体の圧力と温度の関係を記述するゲイ＝リュサックの法則を考案。
• 1807年 -ニセフォール・ニエプスは、苔、石炭の粉塵、樹脂を燃料とするピレオロフォール内燃機関をボートに搭載し、フランスのソーヌ川で動力を得ました。
• 1807年 - フランス系スイス人技術者フランソワ・イザック・ド・リヴァが水素と酸素の混合物の内部燃焼で動くド・リヴァエンジンを製作し、車輪付きの乗り物に動力を与えた。^[10]
• 1816年 -ロバート・スターリングが熱風エンジンの一種であるスターリングエンジンを発明した。
• 1824年 -ニコラ・レオナール・サディ・カルノーがカルノーサイクルと、それに関連する仮説的なカルノー熱機関を開発しました。これはすべての熱機関の基本的な理論モデルです。これにより、熱力学の第二法則に関する最初の初期の洞察が得られました。
• 1834年 -ジェイコブ・パーキンスが蒸気圧縮冷凍システムの最初の特許を取得。
• 1850年代 -ルドルフ・クラウジウスは熱力学システムの概念を提示し、エントロピーを、不可逆的なプロセスにおいて、少量の熱エネルギーδQがシステムの境界を越えて徐々に散逸するものと位置付けた。
• 1859年 -エティエンヌ・ルノアは、照明ガス（ガソリンではない）を電気点火する単気筒2ストロークエンジンという、商業的に成功した最初の内燃機関を開発しました。
• 1861年 -フランスのアルフォンス・ボー・ド・ロシャスが、点火前に燃料と空気の混合物を圧縮することの重要性がこれまで認識されていなかったことを強調し、4ストローク内燃機関の概念を考案しました。
• 1861年 -ニコラウス・オットーがレノアの2ストローク内燃エンジン製造の特許を取得。
• 1867年 -ジェームズ・クラーク・マクスウェルは、後にマクスウェルの悪魔として知られる思考実験を提唱しました。これは熱力学の第二法則に違反しているように見え、情報は熱の物理学の一部であるという考えの始まりでした。
• 1872年 -ピストンレスポンプであるパルスメーター蒸気ポンプがチャールズ・ヘンリー・ホールによって特許取得されました。これはセイバリー蒸気ポンプにヒントを得たものです。
• 1873年 - イギリスの化学者ウィリアム・クルックス卿が、光の放射熱を直接回転運動に変える装置である光ミルを発明しました。
• 1877年 - 理論家ルートヴィヒ・ボルツマンは、理想気体粒子の集団のエントロピーを測定する確率的な方法を視覚化し、エントロピーはそのような気体が占めることができるミクロ状態の数の対数に比例すると定義しました。
• 1877年 -ニコラウス・オットーが実用的な4ストローク内燃機関の特許を取得（米国特許194,047）
• 1883年 -英国バースのサミュエル・グリフィンが6ストローク内燃機関の特許を取得。^[11]
• 1884年 -チャールズ・A・パーソンズが最初の近代的な蒸気タービンを製作。
• 1886年 -ハーバート・アクロイド・スチュアートが、後のディーゼルに似ているが圧縮比が低く燃料と空気の混合気で動く、石油を燃料とする予混合圧縮着火エンジンであるホットバルブエンジンのプロトタイプを製作しました。
• 1887年 -レイリー卿は、音波のみを使用して温度差を直接機械的運動に変換できる熱音響熱機関の理論的可能性について議論しました。これは、すでに1859年にライケ管によって実証されていました。
• 1892年 -ルドルフ・ディーゼルが、高圧縮比で高温ガスを生成し、噴射された燃料に点火するディーゼルエンジンの特許を取得（米国特許608,845 ） 。5年間の実験とMAN社の支援を経て、1897年にディーゼルエンジンを製作。

• 1910 年頃、無名の発明家が「水飲み鳥」というおもちゃを発明しました。これは揮発性液体の蒸発と凝縮によって動力を得て、軸の上で連続的に振動するおもちゃの鳥です。おもちゃの濡れた端と乾いた端は、水の蒸発によってわずかな温度差を生み出します。
• 1909 年、オランダの物理学者ハイケ・カメルリング・オンネスは、一定圧力の閉じた熱力学システムから得られる「有用な」仕事の尺度としてエンタルピーの概念を開発しました。
• 1913年 -ニコラ・テスラが境界層効果に基づくテスラタービンの特許を取得。
• 1926年 -アメリカのロバート・ゴダードが初の液体燃料ロケットを打ち上げる。
• 1929年 -フェリックス・ヴァンケルがヴァンケルロータリーエンジンの特許を取得（米国特許2,988,008）
• 1929年 -  レオ・シラードは、有名なマクスウェルの悪魔のシナリオを改良し  、情報だけで動作する熱機関を考案しました。これはシラードエンジンとして知られています。
• 1930年 -イギリスのフランク・ホイットル卿がジェット推進用ガスタービンの最初の設計の特許を取得。
• 1933年 - フランスの物理学者ジョルジュ・J・ランクが、圧縮ガスを熱い流れと冷たい流れに分離できる可動部品のない流体流動装置であるボルテックスチューブを発明しました。
• 1935年 -ラルフ・H・ファウラーは、システム間の熱平衡は推移的な関係であるという初期の物理学者による仮説を要約するために、 「熱力学の第ゼロ法則」というタイトルを考案しました。
• 1937年 –ハンス・フォン・オハインがガスタービンを製作
• 1940年 -米国のウェスティングハウス社に勤務していたハンガリー人のベラ・カルロヴィッツが、高温の移動するガスから直接電気を生成できる磁気流体力学発電機の最初の特許を申請した。
• 1942年 - ゼネラルモーターズのRSゴーグラーが、熱伝導性と相転移の両方の原理を組み合わせて2つの固体界面間の熱伝達を効率的に管理する熱伝達メカニズムであるヒートパイプのアイデアの特許を取得しました。
• 1950 年代 -フィリップス社は、機械エネルギーを温度差に変換するスターリングサイクルのスターリング冷凍機を開発しました。
• 1957年 – V.ウィルソンによる実用的なアークモードセシウム蒸気熱電子変換器の最初の実証。熱い陰極からの電子は作動流体として働き、冷たい陽極で凝縮して電流を生成します。その後の10年間で、太陽光、燃焼、放射性同位元素、原子炉熱源など、いくつかの用途が実証されました。 ^[12]
• 1959年 - 米国ベル電話研究所のゲウシック、シュルツ・デュボア、スコヴィルが、2つの熱プールの温度差から仕事を取り出す量子熱エンジンとして動作する3レベルメーザーを構築しました。
• 1962年 - ウィリアム・J・ビューラーとフレデリック・ワンが、温度に応じて形状を記憶するニチノールと呼ばれるニッケルチタン合金を発見しました。
• 1962年 - ニコラウス・ロットは、1887年にレイリー卿によって説明された熱音響エンジンの話題を再開し、完全な理論的分析を行い、それが技術開発と、1992年にスペースシャトルに搭載された実用的な装置につながりました。
• 1992年 - 最初の実用的な磁気流体発電機がセルビアと米国で製造されました。
• 1996年 -クアシタービンエンジンの特許を取得。側面が頂点でヒンジで留められた菱形ローターを使用したピストンレスロータリーエンジン。ヴァンケルエンジンに似ていますが、端がヒンジで留められているため、容積比が大きくなっています。

• 2011年 - 戸谷部正一らは、コンピュータに接続された高速カメラを備えた位相差顕微鏡を使用して、シラードエンジンの動作を実証した。 ^[13]
• 2011年 - ミシガン州立大学が初のウェーブディスクエンジンを開発。ピストン、クランクシャフト、バルブを廃止し、ディスク状の衝撃波発生器に置き換えた内燃機関。^[14]
• 2019年 – スピン1/2システムと核磁気共鳴技術に基づく実用的な量子熱機関が、ウォータールー大学、ブラジル連邦大学、ブラジル物理学研究センターのロベルト・セラらによって実証されました。^[15]
• 2020年 –量子効果を利用して熱機関としても冷蔵庫としても機能するナノスケールのデバイスが、理化学研究所先端デバイス研究所のエンジニアによって実証されました。^[16]

関連タイムライン:

• ロケットとミサイルの技術のタイムライン– ロケットは熱機関と考えることができます。排気ガスの熱が機械エネルギーに変換されます。
• 熱力学の歴史
• 内燃機関の歴史
• モーターとエンジン技術のタイムライン
• 蒸気動力のタイムライン
• 温度・圧力測定技術のタイムライン

人類のテクノロジーのタイムラインについては以下を参照してください。

• 歴史的発明のタイムライン