熱力学の研究では、熱機関を、2 つの熱源を使用して熱と機械エネルギーの間で変換できる、つまり仕事を実行できるメカニズムとして定義します。熱機関のよく知られた例としては、「マリア・フマーサ」として知られる機関車が挙げられます。
歴史的背景を考慮すると、1824 年までは、製造された熱機械はすべて完璧に機能すると考えられていました。つまり、そのような機械は 100% の効率を有すると考えられていました。
この考えはエンジニアのサディ・カルノーによって覆されました。彼はデモンストレーションを通じて、熱機関から 100% の効率を達成することは不可能であることを証明しました。サディは、理論上の理想的な熱機関は、今日カルノー サイクルと呼ばれる特定のサイクルを通過することによって機能するだろうと提案しました。
サディ・カルノーは実験的な実証において、今日私たちがカルノーの公準として知っている 2 つの公準を発表しました。
最初の仮説は、確立された 2 つの温度間で動作する熱エンジンは、これらの同じ温度間で動作した場合に、理想的なカルノー エンジンよりも高いパフォーマンスを達成できる可能性があると述べています。
2 番目の仮説では、理想的なカルノー エンジンは、2 つの温度間で動作する場合、作動流体が何であれ同じ性能を発揮し、エネルギーを追加することなく完全に可逆的であると述べています。
サディ・カルノーによって提案された仮説によれば、熱機関の性能が高温源と低温源の両方の温度に排他的に依存する関数であることを検証できる可能性があります。
カルノーサイクル
カルノーサイクルとして知られるサイクルは、作動流体が気体である理想的な可逆サイクルであり、等温変態 (一定の温度) と 2 つの断熱変態 (外部との熱交換はありません) という 2 つの熱変態に対応します。環境)、点在しています。カルノーサイクルでガスが受けるプロセスは次のとおりです。
– 等温膨張 (DA)。その間、ガスは一定温度システム TA (熱源) と接触し、そこから量の熱 QA を受け取ります。
– 断熱膨張 (AB)。その間、環境との熱交換は発生しません。システムは内部エネルギーを低下させて作業を実行するため、温度も低下します。
– 等温収縮 (BC)。その間、ガスは一定温度システム TB (冷熱源) と接触し、熱量 QB を与えます。
– CD 断熱収縮。この間、ガスは環境と熱交換を行いません。システムは仕事を受け取り、それが内部エネルギーを増加させ、したがって温度を上昇させるのに役立ちます。
上図のサイクル、カルノー サイクルでは、交換される熱 ( Q Aおよび Q B ) と高温源と低温源の熱力学的温度( TAおよび T B ) は比例するため、それらを表す関係は次のとおりです。 :
熱機関の効率方程式に代入すると、カルノー エンジンの場合は次のようになります。
冷熱源の温度 ( T B ) がゼロ ケルビン (絶対零度) に等しいと考えると、η = 1 または η = 100% になります。しかし、この事実は、100% の効率は不可能であることを保証する熱力学の第 2 法則に矛盾しており、絶対零度に等しい温度を持つ物理システムは存在しないという結論につながります。
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