エンジニアリング熱力学：基礎と原則
エンジニアリング熱力学の基本原理は、プラント、設備、およびその全体的な設計の性能向上を通じてより良い世界へと進む上で重要な役割を果たします。
設備の性能評価において重要な要素は、最終製品の出力、原材料の消費量、生産コスト、環境への影響の評価などです。現代のエンジニアは、熱力学の概念を使用して、人間の安全と快適性のために意図されたものを検討し、再発明しています。
熱力学の科学は19世紀から存在しています。それ以来、科学者とエンジニアは、それを可能な限り使いやすくするための継続的な努力を続けています。
熱力学の基本原理
熱力学という言葉は、ギリシャ語のtheme（熱を意味）とdynamics（力を意味）に由来しています。エンジニアリング専門家は、システムとその周囲との相互作用を研究することに興味があります。
このセクションで使用される概念や定義は、エンジニアリング熱力学（時には熱・動力工学とも呼ばれる）の概念を理解するのに役立ちます。
システム、周囲、そして宇宙
システムとは、我々が研究したいものであり、関心のあるものです。したがって、最初のステップはシステム研究の目的を正確に固定することです。システム研究の目的は、システムの効率を改善したり、損失を減らすことにあります。例えば、冷蔵庫プラントの冷凍サイクルを分析したり、発電所のランキンサイクルを分析することができます。
システムは、閉じたまたは柔軟な表面で囲まれた一定の質量の純粋な物質として定義されます。同様に、システム内の物質の組成は、サイクルによって固定または可変にすることができます。
システムの寸法は必ずしも一定ではありません（圧縮機内の空気がピストンによって圧縮される場合のように）。これは可変である可能性もあります（膨らませた風船のように）。システムと外部で相互作用する物質は周囲と呼ばれ、宇宙はシステムと周囲の結果です。
システムと周囲を分ける要素は境界と呼ばれ、システムの境界は固定であるか動き続けることがあります。
システムと周囲の間の相互作用は境界を超えて行われ、これにより熱力学（つまり熱と動力工学）において非常に重要な役割を果たします。
熱力学におけるシステムの種類
熱力学には以下の2つの基本的なシステムのタイプがあります：
閉鎖系または制御質量: 一定量の物質に関連しています。開放系とは異なり、閉鎖系では、システムの境界を越えて物質の流れはありません。また、周囲から孤立している特別なタイプの閉鎖系があり、これを孤立系と呼びます。
制御体積（開放系）: 制御体積は、質量とエネルギーが流れ、システムの境界を越えることができる空間の領域に制限されています。開放系の境界は制御面と呼ばれ、これは実際のものでも非現実的なものでもあります。
制御体積の例としては、水ポンプを通過する水の流れ、タービンを通過する蒸気の流れ、エアコンプレッサーを通過する空気の流れなどの質量がシステムの境界を越える装置があります。
微視的熱力学
熱力学の微視的手法は統計熱力学とも呼ばれ、物質の構造と統計熱力学の目的は、システムに関心のある粒子の平均行動を特徴づけ、その情報を用いてシステムのマクロスケールでの行動を観察することです。
熱力学の特性、状態、およびプロセス
熱力学的特性
熱力学的特性は、システムのマクロスケールの特性です。特性の値は、以前の値やその挙動を知ることなく、任意の時間に割り当てることができます。
広延的特性
質量に依存する特性は広延的特性と呼ばれ、システム全体の値はその部分の値の合計です。広延的特性の例は、体積、エネルギー、質量です。広延的特性はシステムのサイズに依存し、時間とともに変化する可能性があります。
強度的特性
広延的特性とは対照的に、強度的特性は質量に依存せず、加算性ではなく、システムの全サイズに依存しません。それはシステム内の異なる場所で任意の瞬間に異なる値を持つ可能性があります。強度的特性の例は圧力と温度です。
熱力学状態
状態は、その特性によって最もよく説明されるシステムの条件として定義されます。システム内に封じ込められた質量は、状態と呼ばれるさまざまな固有の条件を持つことができます。システムの特性の間には関係がありますが、一部の特性の値を提供することで状態を指定することができます。
熱力学プロセス
熱力学プロセスは、ある状態から別の状態への変換です。システム内のマクロスケールの特性の値が異なる時間で同一であれば、そのシステムはその時点で同じ状態にあると言えます。システムの特性が時間に対して変化しないとき、システムは定常状態に達します。
システム平衡サイクル
熱力学システムの平衡サイクルは、同じ状態で始まり終了する順序的なプロセスです。サイクルが完了すると、すべての特性は開始時の値と同じになります。定期的に繰り返されるすべてのサイクルは、多くの応用分野で重要な役割を果たします。例えば、熱発電所での凝縮液の循環はサイクルを実行します。
作業物質
物質理論は、エネルギーの概念を理解するのに役立ちます。物質は質量、体積、空間を持ち、その構造や性質に関わらず、一貫性や信頼性などの特性を持っています。物質は分子と呼ばれる多数の粒子から構成されています。固体、液体、ガスの物質を見つけることができます。
固体の物質では、分子は互いに近接しており強く結合しており、自由に動くことはできません。そのため、形状を変えるには大きな力が必要です。
液体の物質では、分子は強く保持されておらず、小さな力で分子を一緒に保つことができます。
ガス状態では、分子は隣接する分子に関係なく、束縛されない状態でランダムかつ自由に動き、非常に速く動きます。圧縮性はガスに関連しており、接続する分子間に多くの空きスペースがあります。エネルギーは、物質が異なる相を持つ理由です。
純粋物質
単一の化学構造または均一な化学構造を持つ材料は純粋物質と呼ばれています。材料は液体のような単一の相で存在するか、または他の相と平衡状態で複数の相で存在することができます。同じ化学組成を持つガスの均一な混合物も純粋物質と呼ばれます。
純粋物質の重要性は、異なる圧力と温度条件下での作業物質の特性を決定することにあります。
例: 水のような純粋物質は、圧力と温度と呼ばれる2つの独立した強度的特性によって完全に記述できます。別の純粋物質は、ガス状態の空気です。しかし、非均一な物質の場合、状態を記述するには2つ以上の特性が必要です。
熱力学平衡
力学では、反対の力が釣り合うときに平衡が達成されたと言われます。しかし、熱力学的平衡の意味はそれとは異なり、反対の力を釣り合わせるだけでなく、他の多くの影響（システムと周囲の間）のバランスを取ります。システム内で完全な平衡を達成するには、力学的、熱的、相、化学的平衡の条件を満たす必要があります。
このセクションでは、熱力学的平衡についての議論に限定します。古典的熱力学は、平衡状態とその変化を最善に説明します。
状態が固定されている場合、システムは平衡状態にあると言えます。圧力や温度などの強度的特性を正確に測定して状態を割り当てる必要があります。システムが非常に小さな擾乱によって強度的特性が変わらない場合、それが熱力学的平衡にあると言えます。
このような状況下では、システムは周囲によって提供される制約との間に完全な安定性を持っています。
