(ii),(iv)の過程で作動流体と 同じ温度の熱源に対して熱移動 を生じさせねばならないため,このサイクルは実際には動作しない. ただし,このサイクルにほぼ近い動作をさせることができることが知られている. 可逆サイクルの効率 Carnotサイクルのような可逆サイクルには次のような特徴がある. 可逆サイクルは,熱機関として作動させても,熱ポンプとして作動させても,移動熱量と機械的仕事の関係は同一である. 可逆サイクルの熱効率は不可逆サイクルのそれよりも必ず高い. Carnotサイクルの熱効率は高温源と低温源の温度 $T_1$ と $T_2$ のみで決まり,作動媒体によらない(Carnotの原理). ここでは,いくつかのサイクルによらないエネルギ変換について紹介する. 光→電気変換 光エネルギは,太陽日射が豊富に存在する地上や,太陽系内の宇宙空間などでは重要なエネルギ源である. 光→電気変換は大きく分けて次の2通りに分類される. 光→電気発電(太陽光発電, Photovoltaics) 太陽光(あるいはそれ以外の光)のエネルギによって物体内の電子レベルを変化させ,電位差を生じさせるもので,量子論的発電手法と言える. 東京熱学 熱電対. 太陽電池は基本的に半導体素子であり,その効率は大きさによらない. また,量産化によってコストを大幅に低減できる可能性がある. 低価格化が進めば,発電に要するコストが一般の発電設備のそれとほぼ見合ったものとなる. したがって,問題は如何に効率を向上させるか(=小面積で発電を行うか)である 光→熱→電気変換(太陽熱発電) 太陽ふく射を熱エネルギの形で集め,熱機関を運転して発電器を駆動する形式のエネルギ変換手法である. 火力発電や原子力発電の熱源を太陽熱に置き換えたものと言える. 効率を向上させる,すなわち熱源の温度を高くするためには,太陽ふく射を「集光」する装置が必要である. 燃料電池(fuel cell) 燃料のもつ電気化学的ポテンシャルを直接電気エネルギに置き換える. (化学的ポテンシャルを,熱エネルギに変換するのが「燃焼」であることと対比して考えよ.) 動作原理: 燃料極上で水素 $\mathrm{H_2}$ を,$\mathrm{2H^+}$ と電子 $\mathrm{2e^-}$ とに分解する(触媒反応を利用) $\mathrm{H^+}$ イオンのみが電解質中を移動し,取り残された電子 $\mathrm{e^-}$ は電極(陰極)・負荷を通して陽極へ向かう.
ある状態の作動流体に対する熱入力 $Q_1$ ↓ 仕事の出力 $L$ 熱の排出 $Q_2$,仕事入力 $L'$ ← 系をはじめの状態に戻すためには熱を取り出す必要がある もとの状態へ 熱と機械的仕事のエネルギ変換を行うサイクルは,次の2つに分けることができる. 可逆サイクル 熱量 $Q_1$ を与えて仕事 $L$ と排熱 $Q_2$ を取り出す熱機関サイクルを1回稼動したのち, この過程を逆にたどって(すなわち状態変化を逆の順序で生じさせた熱ポンプサイクルを運転して)熱量 $Q_2$ と仕事 $L$ を入力することで,熱量 $Q_1$ を出力できるサイクル. =理想的なサイクル(実際には存在できない) 不可逆サイクル 実際のサイクルでは,機械的摩擦や流体の分子間摩擦(粘性)があるため,熱機関で得た仕事をそのまま逆サイクル(熱ポンプ)に入力しても熱機関に与えた熱量全部を汲み上げることはできない. このようなサイクルを不可逆サイクルという. 可逆サイクルの例 図1 のような等温変化・断熱変化を組み合わせてサイクルを形作ると,可逆サイクルを想定することができる. このサイクルを「カルノーサイクル」という. (Sadi Carnot, 1796$\sim$1832) Figure 1: Carnotサイクルと $p-V$ 線図 図中の(i)から (iv) の過程はそれぞれ (i) 状態A(温度 $T_2$,体積 $V_A$)の気体に外部から仕事 $L_1$ を加え,状態B(温度 $T_1$,体積 $V_B$) まで断熱圧縮する. 渡辺電機工業株式会社・東京熱学事業部発足のお知らせ｜新着情報｜渡辺電機工業株式会社. (ii) 温度 $T_1$ の高温熱源から熱量 $Q_1$ を与え,温度一定の状態(等温)で体積 $V_C$ まで膨張させる. この際,外部へする仕事を $L_2$ とする. (iii) 断熱状態で体積を $V_D$ まで膨張させ,外部へ仕事 $L_3$ を取り出す.温度は $T_2$ となる. (iv) 低温熱源 $T_2$ にたいして熱量 $Q_2$ を排出し,温度一定の状態(等温)て体積 $V_A$ まで圧縮する. この際,外部から仕事 $L_4$ をうける. に相当する. ここで,$T_1$ と $T_2$ は熱力学的温度(絶対温度)とする. このサイクルを一巡して 外部に取り出される 正味の仕事 $L$ は, L &= L_2 + L_3 - L_1 - L_4 = Q_1-Q_2 となる.
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