Carnot

熱力学の第二法則

熱力学の第二法則は、エネルギー変換プロセスの効率性に限界を置いています。 熱として伝達されるエネルギーは確かにエネルギー伝達であるにもかかわらず、熱エネルギーについては異な 科学者が熱を定義する方法は、ほとんどの人が熱を理解する方法とは多少異なります。 異なる温度の二つの体が互いに接触して配置されている場合、熱い体から冷たい体へのエネルギーの移動があり、二つの体が同じ温度になるまでその移 このエネルギーの移動は熱と呼ばれます。 各身体の温度は、その”内部エネルギー”によるものです。「このエネルギーは、振動する分子や動く分子の運動エネルギーとして蓄積され、材料の温度と圧力の関数です。 材料が熱くなればなるほど、分子はより速く移動します。 エネルギーが熱として伝達されるとき、より熱いボディは内部エネルギーの一部を失い、より冷たいボディは内部エネルギーを得る。 それは内部エネルギーを含んでおり、そのエネルギーの一部を熱として寒い体に移すことができます。 冷たい体は、そのエネルギーを内部エネルギーに変換します。 その内部エネルギーの移動は熱と呼ばれるものです。 読者は今、熱力学の第一法則の前のセクションに戻って、熱という言葉について書かれた私の意図的な誤りをすべて見ることができます。 例えば、私は太陽の下で”水素原子は強い熱と圧力の下で一緒に融合してヘリウム原子を形成すると言いました。 水素原子は非常に高い温度と圧力で一緒に融合してヘリウム原子を形成していると言っていたはずです。”

伝導、対流、放射の三つの異なる熱伝達方法があります。

二つの物体の間でどのくらいの熱を伝達できるかは、それらの温度と熱伝達の方法によって異なります。 熱エネルギーは仕事か機械エネルギー、電気またはエネルギーの他のどの形態にも完全に変えることができない。 これは熱機関の効率に大きな影響を与えます。 燃料が熱機関で燃やされるとき、燃料分子の化学結合で貯えられる化学エネルギーは解放されます。 このエネルギーは熱としてエンジンに伝達されますが、その熱のすべてが機械的エネルギーに変換できるわけではありません。 人々が内燃機関のような熱機関を開発し、完成しようとしていたとき、彼らはこの限界を発見し、それを理解しなければなりませんでした。 その結果、熱力学の第二法則が定式化されました。

この分野における独創的な仕事は、サディ-カルノーというフランスの技術者によるものであった。 1824年、彼は”Reflections on the Motive Power of Fire and the Machines Needed to Developing This Power”と題する論文を発表した。 熱機関による作業量は，高温体から低温体への熱の流れによるものであるという考えを示した。 カルノーの熱の理解はまだ熱の誤ったカロリー理論に陥っていたが、彼の結論はまだ有効であった。 彼の分析は、熱機関に伝達することができる理論的な熱は、熱源（高温体）とヒートシンク（低温体）の温度差に比例することを決定した。 この分析は、彼が他のエネルギー変換プロセスの効率よりもはるかに低いことが判明した熱機関の理論的効率を計算することを可能にした。

エネルギー使用の限界を完全に理解するには、エントロピーの一定の理解が必 これは付録Aで説明され、次のセクションで説明されています。

熱力学第二法則の結果の一つは、熱機関を駆動するために燃料を燃焼させると、燃料からの熱の一部だけがエンジン内で働くように変換できるとい 残りの部分は、通常、エンジンを取り巻く雰囲気であるヒートシンクに拒否する必要があります。 その結果、熱機関は本質的に非効率的である。 もう一つの結果は、電気発熱体であなたの家を加熱することは、他のほとんどの燃料を使用するよりもはるかに高価になるだろうということです。 これは電気が熱の一部が環境に拒絶されなければならなかった非能率的な熱エンジンを使用して作成されたのである。 あなたの目標は、（そのようなあなたの家のような）いくつかのスペースの温度を上げることである場合は、直接燃料を燃焼し、可能な限りあなたの家の中でその熱の多くをキャプチャすることをお勧めします。 燃料を燃焼させることによる直接加熱の効率は、熱の一部を失わなければならない電気を作り出すよりもはるかに高い。 このすべては、サディ-カルノーによって彼のカルノーサイクルを用いて分析され、1824年に出版された。

サディ-カルノーはフランス革命家ラザール-カルノーの長男で、フランス革命の最盛期の1796年6月1日に生まれた。 サディは1812年からエコール-ポリテクニークで学んだ。 サディが1814年に卒業するまでに、ナポレオンの帝国は走っていたし、ヨーロッパの軍隊はフランスに侵略していた。 1815年にナポレオンが政権に復帰すると、サディの父ラザレ-カルノーは数ヶ月間内務大臣を務めた。 その年のナポレオンの最後の敗北の後、ラザールはドイツに逃げ、フランスに戻ることはなかった。

サディ-カルノーは生涯のほとんどの間陸軍士官だったが、1819年に陸軍から半引退し、蒸気機関の設計に専念し始めた。 これらのエンジンは、ヨーロッパ、特に英国の主要な主力であり、鉱山からの水の汲み上げ、港や川の浚渫、小麦の粉砕、布の紡績と製織に使用されましたが、やや非効率的でした。 戦後のフランスへのより高度なイギリスの蒸気機関の輸入は、フランスが彼らの技術に遅れをとっていたどのくらいのカルノーを示しました。 彼は特に、英国は、任意の本当の科学教育を欠いていたいくつかのエンジニアの天才を通じて、これまでに進行していたことを狼狽しました。 また、イギリスの技術者は、実際の走行条件下での多くのタイプのエンジンの効率に関する信頼できるデータを蓄積し、公開していました。

カルノーは、偉大な文明が技術を進歩させるためにエネルギーを利用する必要があることを暗黙のうちに理解しました。 フランスの蒸気の不十分な利用がその没落の要因であると確信し、彼は蒸気機関の効率に関する非技術的な仕事を書き始めました。 彼の前の他の労働者は、蒸気の膨張と圧縮を仕事の生産と燃料の消費と比較することによって、蒸気機関の効率を向上させる問題を検討していた。 1824年に出版されたエッセイ”Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance”（火の動力とこの動力を開発するために必要な機械に関する反射）では、カルノーは他の人が行っていたように、自分自身に関係しないプロセスの理論に多くの注意を払った。

カルノーは、蒸気機関では、ボイラーの高温から凝縮器の低温に熱が”低下”すると、水が落下すると水車に電力を供給するのと同じように、動力が生成されると述べた。 彼は、熱が生成も破壊もできないガスであると仮定して、熱のカロリー理論の理論的枠組みの中で働いた。 この仮定は誤りであり、カルノー自身は彼がエッセイを書いている間でさえそれについて疑問を抱いていたが、彼の結果の多くはそれにもかかわらず真実であった。 これらの一つは、理想化されたエンジンの効率は、メカニズムを駆動する物質（蒸気または他の流体）ではなく、最も暑い部分と最も寒い部分の温度にのみ依存するという彼の予測でした。

カルノーは、すべての熱力学系が特定の熱力学状態に存在することを理解しました。 システムが一連の異なる状態を経て最終的にその初期状態に戻ると、熱力学的サイクルが発生したと言われています。 このサイクルを通過する過程で、システムはその周囲の作業を実行し、それによって熱機関として作用する。 彼が提案し、彼の分析で使用されたサイクルは、現在、カルノーサイクルとして知られています。 カルノーサイクルを実行するシステムはカルノー熱機関と呼ばれますが、そのような「完全な」エンジンは理論的なものであり、実際には構築できません。

熱機関のアンチテーゼは冷蔵庫です。 熱機関は、機械的エネルギーに変換される熱を生成するために、熱力学的サイクルの一部として燃料を燃焼させる。 冷却装置は反対の方向の周期を送り、冷たいボディからのより熱いボディに熱をポンプでくむ機械エネルギーを作成するのに電気エネルギーを使

ここで、

Wはシステムによって行われた作業（システムから出るエネルギー）です。

QHはシステムに入る熱（システムに入る熱エネルギー）です。

TCはコールドリザーバの絶対温度です。

THは高温リザーバの絶対温度です。

この効率は、高温リザーバから抽出され、機械的な仕事に変換された熱エネルギーの割合を表します。 ランキンサイクルは、通常、蒸気機関のカルノーサイクルの実用的な近似です。 付録Aには、温度THとTCの間で動作する任意のサイクルについて、カルノーサイクルの効率を超えることはできないことが示されています。

カルノーの定理は、この事実の正式な声明です：二つの熱貯蔵所の間で動作するエンジンは、それらの同じ貯蔵所の間で動作するカルノーエンジンよりも効率的ではありません。 式3.1は、対応する温度を使用する任意のエンジンで可能な最大効率を示します。 カルノーの定理の帰結は、次のように述べています: 同じ熱貯蔵所の間で作動するすべてのリバーシブルエンジンは均等に有効である。 式3.1の右辺は、より簡単に理解できる形式の式を示しています。熱機関の理論上の最大効率は、高温リザーバと低温リザーバの間の温度差を高温リザーバの絶対温度で割ったものです。 絶対温度をケルビン単位で求めるには、摂氏温度に273.15°を追加します。 絶対温度を度Rankineで求めるには、華氏温度に459.6°を加えます。 式3の式を見てみましょう。1、興味深い事実が明らかになります。 冷たい貯蔵所の温度を下げることは同じ量熱い貯蔵所の温度を上げるより熱機関の天井の効率に対するより多くの効果をもたらします。 現実の世界では、冷たい貯水池は大気などの既存の周囲温度であることが多いため、これを達成するのが難しい場合があります。

つまり、サイクル内に新しいエントロピーが作成されない場合、最大効率が達成されます。 実際には、過剰なエントロピーを処分するために環境に熱を投棄する必要があるため、効率が低下します。 式3.1は、理論的に可逆的な熱機関の効率を与えます。

カルノーは、現実には熱力学的に可逆的なエンジンを構築することは不可能であることに気づきました。 実際の熱機関は、式3.1で示されるよりも効率が低い。 それにもかかわらず、式3.1は、与えられた一連の熱リザーバで予想される最大効率を決定するのに非常に役立ちます。

実用的な外燃熱機関を作るために使用できるスターリングサイクルもありますが、このエンジンは商品化されていません。 それにもかかわらず、太陽エネルギーを含むそのようなエンジンを駆動するために多種多様な燃料を使用できるため、スターリングエンジンの開発に スターリングエンジンはランキンサイクルエンジンに代わるものである。

第二法則のエントロピーステートメントは、化学反応、流体の相挙動、および他の多くの一見接続されていないプロセスを分析することも可能にします。 それはまた、人々が実際にある形から別の形にエネルギーを変換しているときにエネルギーを使うと言う理由を説明します。 燃料を燃焼させてエネルギーを生成すると、化学エネルギーが熱に変換され、その熱エネルギーの一部が電気に変換されます。 それのいくつかはまた、それがもはや使用できない雰囲気に拒否されます。 この電気は電球の中に光を作り、それは大気への熱としても失われます。

熱の一部が大気に放出された後に自動車を駆動するために内燃機関に動力を与えるために燃料が使用される場合、残りの燃料エネルギーは有用で使 その運動エネルギーのすべては、最終的には摩擦熱として失われ、大気にも失われます。 私たちが「使用する」すべてのエネルギーは、大部分が大気に伝達された熱として失われ、そのうちのいくつかは宇宙を通って宇宙の他の部分に放射され

熱力学の第一法則と第二法則のもう一つの結果は、永久運動機械は不可能であるということです。 最初の法律は、エネルギーを供給することによって機械を動かすと、摩擦のない環境で永遠に走り続けることができると単純に述べています。 あなたはそれが最初の法律に違反するので、あなたが入れたよりも多くのエネルギーを引き出すことができませんでした。 第二の法則は、エネルギーの一部が摩擦を介して熱として失われるため、あなたが入れたほど多くを得ることさえできないと言います。 永久運動機械は、熱力学の第一法則に違反するものと、熱力学の第二法則に違反するものの2つのカテゴリに分類されます。

エントロピーパラメータは宇宙のランダム性の尺度でもあり、第二の法則は宇宙のランダム性が増加していると述べています。 言い換えれば、プロセスが展開するにつれて、宇宙の要素はより無秩序な状態になる傾向があります。

“エネルギーを使うと言うとき、私たちはどういう意味ですか？”利用可能なエネルギーが使用され、使用できないエネルギーに変換されるということです。 燃料中の電気エネルギー、ポテンシャルエネルギー、運動エネルギー、化学エネルギーはすべて利用可能な形のエネルギーです。 熱として大気に失われるエネルギーは大抵利用できないエネルギーになる。 温度が十分に高くないので、大気からエネルギーを抽出することは困難です。 大気や海に失われたエネルギーの累積的な効果は、それが完全に利用できなくなる宇宙の残りの部分にも継続的に放射されることです。 熱力学の第二法則は、このプロセスを支配します。

熱力学の法則には、ここで示されているよりも多くの応用がありますが、それはこの本の範囲を超えています。 ここでは、エネルギープロセスを少しよく理解できるように、熱力学の法則を少し理解するだけでよい。