カルノー熱サイクルとは何ですか？

カルノーサイクル（より適切にはカルノーサイクルと呼ばれます）は、2つの所定の温度で動作する熱機関の最大効率を決定するために使用される理想的な熱力学サイクルです。 理論的な目的で使用されますが、物理システムで実際に動作することはできません。 理論的には、エンジンは最大効率近くで動作するように構築できますが、サイクル内の熱伝達は実用的なシステムになるには遅すぎます。 カルノーサイクルの主な価値は、他のタイプの熱機関の最大効率を確立することにあります。

カルノー熱サイクルを構築する際には、最大の効率を実現するために2つの仮定が行われます。すべてのプロセスは可逆的であり、エントロピーに変化はありません。 可逆プロセスとは、エネルギーを失うことなく元の状態に戻すことができるプロセスです。 エントロピーは、仕事をするのに利用できないシステムのエネルギー量です。 熱力学の第2の法則によれば、プロセスが発生したとき、システム内のエントロピーの量は増加するか、同じままでなければなりません。 これらの仮定はどちらも自然条件下では満たすことはできませんが、最大効率の決定には役立ちます。

カルノー熱サイクルでは4つのプロセスが繰り返されます。 1つ目は等温膨張です。 「等温」とは、プロセス全体を通して温度が同じであることを意味します。 この間、体積が増加し、圧力が減少し、エネルギーがシステムに追加されます。

次のプロセスは、 断熱膨張として知られています。 断熱プロセスでは、システムによって熱が発生したり失われることはありません。 圧力と体積の変化により、温度の変化が起こります。 この特定のステップでは、温度を下げるために、圧力を下げ、体積を増やします。

3つ目は等温圧縮です。 このプロセス中に圧力が増加し、体積が減少し、エネルギーがシステムから除去されます。 最後に、 断熱圧縮が実行され、システムが元の状態に戻ります。 温度を上げるために、圧力を上げて体積を減らします。

カルノーサイクル中にエントロピーに変化がないという仮定により、無限に実行でき、元の状態に戻るたびに同じ量のエネルギーを維持できます。 ただし、この理想化されたシステムにもまだエントロピーがあります。つまり、100％効率的ではありません。 カルノーの熱サイクルの実際の効率は、絶対温度またはケルビン（K）温度スケールで、最高温度と最低温度を使用して計算できます。 この式では、最低温度が最高温度から差し引かれ、この数値が最高温度で除算されます。