ヒートエンジンとは何ですか？

熱エンジンは、熱エネルギーまたは熱を機械的作業に変換するために使用されるデバイスです。これは、熱いソースに由来する熱がエンジン自体を通過してコールドシンクに入るときに行われます。コールドシンクは、ランキン、または蒸気のサイクルに見られる凝縮ユニットなど、熱力学サイクルの低温部分です。ヒートエンジンにはさまざまな種類があり、それぞれに独自の特定のサイクルがあります。ヒートエンジンの例には、スターリングエンジンとガスタービンとともに、蒸気と内燃エンジンが含まれます。

一般に、熱エンジンはエンジン自体内で起こる熱力学サイクルと混同されます。これは主に、熱エンジンが特定の熱力学的サイクルによって分類されることが多いためです。熱エネルギーを動作に変換するデバイス自体は「エンジン」として知られていますが、エンジンに適用される熱力学モデルは「サイクル」です。このため、蒸気エンジンはランキンエンジンと呼ばれません。

効率的なヒートエンジンは、それぞれのサイクルを可能な限り模倣しようとします。サイクル内のホットソースとコールドシンクの温度差が高いほど、エンジンはより効率的です。たとえば、効率的な蒸気エンジンには、高温の熱源と低温のコールドシンクの両方が必要です。ランキンサイクルでは、ボイラーが高温バーナーを使用して水を蒸気に変換します。この蒸気はエンジンを通過し、低温凝縮器を通して水に戻します。

コンデンサーが寒いほど、より多くの蒸気が水に戻されます。これは、ボイラーが実行する飽和プロセスを効果的に逆転させるためにコンデンサーが作られているためです。そうすることで、より高い凝縮速度を達成するのに役立ちます。レートが高いほど、水が返されます。これは、蒸気サイクルの全体的な効率を高めるのに役立ちますe。

熱エンジンの効率は、ホットソースとコールドシンクの温度の大きな違いにより高度に最適化できますが、まだ制限されています。これは、コールドシンクの温度が周囲の温度に依存しているためであり、状況によっては理想的な条件まで冷却できないためです。このため、熱エンジンの効率はコールドシンクの温度制限に制限されています。これに対する一般的な解決策は、ホットソースの温度を上げることです。しかし、これでさえ高温下での材料強度の欠如に限定されています。

熱エンジンの効率は、特定のエンジンとサイクルによって異なります。熱効率は3％から約70％の範囲で、自動車エンジンは約25％のどこかで熱効率を達成します。より効率的な熱エンジンは、ガスタービンと蒸気タービンの両方が電力を生成するために使用される大規模な発電所にあります。