今回は 熱機関の熱効率 について解説していきましょう。

熱機関 とは何か想像できますか？熱機関とは 熱エネルギーを仕事に変える装置 のことです。

今まで具体例としてみてきた、シリンダーにピストンをとりつけたものも熱機関といえます。例えば、シリンダー内に封入した気体に熱エネルギーを与えると、気体は膨張しますよね。気体は外部に仕事をするので、まさに熱エネルギーを仕事に変える装置、熱機関だといえます。

熱機関の代表的な例としては、車やバイクなどに使われている エンジン があります。エンジンは、シリンダーにピストンを取り付けて上下運動する構造をしています。

熱機関が仕事をする 1サイクル に注目してみましょう。1サイクルとは 最初の状態から始まり、1周して元の状態に戻る ということです。下の図を見てください。

まず、気体が熱Q₁を吸収しています。熱を吸収して膨張し、外部に仕事をしていますね。ただし、熱機関はここで膨張したままではありません。元の状態に戻る収縮があります。収縮する際には、Q₂のエネルギーを外部に放出します。

熱機関における放出熱Q₂は、残念ながら無駄な熱といえます。例えば、車のエンジンを考えましょう。車はガソリンに火をつけて爆発させた時に生まれるエネルギーを利用して、熱機関(エンジン)が仕事をし、走行しています。この際、熱機関(エンジン)は、元の状態に戻るために熱を捨てているのです。それが排気ガスです。排気ガスはあたたかいので、これが無駄な熱だといえば、イメージがつくのではないでしょうか？

熱機関の1サイクルを踏まえて、熱機関の熱効率について解説しましょう。熱効率は 吸収熱のうちどの程度が仕事に使われるのかという割合 で、 e という記号で表されます。熱効率eを求める式は、 分母が吸収熱Q₁ 、 分子が外にした仕事W となります。

ここで、外にした仕事Wは 吸収熱と放出熱の差Q₁-Q₂ と表すこともできますね。熱力学第一法則を考えてみましょう。1サイクルということは、最初の状態と最後の状態が同じということなので、温度の変化はありません。つまり 内部エネルギーの変化は0 です。したがって、1サイクルで仕事に利用した熱は、吸収熱と放出熱の差Q₁−Q₂で表すことができるのです。