熱機関とは？

熱機関は、熱エネルギーまたは熱を機械的仕事に変換するために使用されるデバイスです。 これは、熱源から発生する熱がエンジン自体を通っ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、ランキンサイクルまたは蒸気サイクルで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。 熱機関にはさまざまな種類があり、それぞれに特定のサイクルがあります。 熱機関の例には、スターリングエンジンやガスタービンに加えて、蒸気および内燃機関が含まれます。

通常、熱エンジンは、エンジン自体の内部で発生する熱力学的サイクルと混同されます。 これは主に、熱機関が特定の熱力学サイクルによって分類されることが多いためです。 熱エネルギーを仕事に変換するデバイス自体は「エンジン」と呼ばれ、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ていません。

効率的な熱エンジンは、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大きいほど、エンジンの効率は高くなります。 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、ボイラーは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た後、低温コンデンサーを介して凝縮して水に戻ります。

凝縮器の温度が低いほど、より多くの蒸気が凝縮して水に戻ります。 これは、ボイラーによって実行され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るためです。 そうすることで、凝縮率を高めることができます。 レートが高いほど、より多くの水が返されます。 これにより、蒸気サイクルの全体的な効率が向上します。

熱源の効率と冷熱源の温度差を大きくすることで、熱機関の効率を高度に最適化できますが、それでもまだ限界があります。 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、理想的な状態に冷却できないことがあります。 このため、熱機関の効率はコールドシンクの温度制限に制限されます。 これに対する一般的な解決策は、熱源の温度を上げることです。 それでも、これは高温下での材料強度の不足に限定されます。

熱機関の効率は、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％の範囲であり、自動車エンジンは約25％の熱効率を達成しています。 より効率的な熱機関は、ガスタービンと蒸気タービンの両方が発電に使用される大規模な発電所にあります。