カルノー循環と逆カルノー循環

カルノー循環

カルノー循環は、熱を有用な可逆断熱（等温）および他のプロセスに変換する最良の効率を持つ熱力学的なサイクルです。

カルノーエンジンの効率は、高温熱源の温度と低温熱源の温度の比から1を引いたものです。カルノー循環は、どのサイクルやエンジンでも達成可能な最高の効率基準を設定しています。

サイクルの最初の部分では作動流体が仕事をし、二つ目の部分では作動流体に対して仕事が行われます。その差がネットワークとなります。

サイクルの効率は、最も少ない仕事で最も多くの結果をもたらす可逆プロセスを使用することで最大化できます。実際には、各プロセスに関連する不可逆性により、完全に可逆なサイクルを達成することは不可能です。

冷蔵庫や熱エンジンが可逆サイクルで動作すると、実際の熱エンジンや冷蔵庫と比較するモデルとして考えられます。実際のサイクルの開発において、可逆サイクルは出発点となり、必要に応じて修正されます。

カルノー循環は、以下の4つの可逆プロセス（2つの可逆等温プロセスと2つの可逆断熱プロセス）で構成されています：

カルノー循環は、以下のようにピストンの例を通じて示されます：
ステップ1 - 2
（可逆等温膨張、Th = 定数）

TH はガスの初期温度であり、シリンダーヘッドと接触している熱源の温度でもあります。

ガスが膨張すると温度が下がりますが、微小な熱（dT）を熱源からガスに移すことによって温度を一定に保ちます。
この過程でガスに移される熱量は Qh です。

ステップ2 - 3
（可逆断熱膨張、温度が TH から TL に下がる）

熱源が絶縁材に置き換えられると、システムは断熱になります。この過程で、ガスの温度は Tl から Th に下がります。

このプロセスは可逆かつ断熱です（注：エンジニアリング熱力学では、システムとプロセスには特定の定義があります）。

ステップ3 - 4
（可逆等温圧縮、Tl = 定数）

ステージ3では、シリンダーヘッドの絶縁材が温度 Tl の熱シンクに置き換えられます。外部からの力がピストンを内側に押し、ガスに対して仕事をすると、ガスの温度が上昇します。

しかし、ガスの温度は熱シンクに熱を放出することによって一定に保たれます。この過程で放出される熱量は Ql です。
ステップ4 - 1
（可逆断熱圧縮、温度が Tl から Th に上昇する）

エネルギー吸収器が絶縁材に置き換えられ、圧縮プロセス中にガスの温度は Tl から Th に上昇します。

ネットワーク

膨張プロセス中のガスによる仕事は、曲線 1-2-3 の下にある面積です。
圧縮プロセス中のガスに対する仕事は、曲線 3-4-1 の下にある面積です。

したがって、ネットワークはパス 1-2-3-4-1 の下にある面積で与えられます。

カルノー循環の重要性

熱機関の効率は、サイクルの最大温度と最小温度に依存します：
カルノーは、熱機関の効率は流体の種類によらず、サイクル中の最大温度と最小温度のみに依存すると述べています。

したがって、過熱蒸気温度で動作する熱機関の効率は高いです。
カルノー循環と熱力学第二法則：

カルノー循環は、高温度源から熱を取り込み、低温度源に熱を放出するという事実を明確に示しています。これが熱力学第二法則の基礎となっています。しかし、熱を逆方向に移動させるためには外部からの仕事が必要です。

逆カルノー循環

カルノー循環は可逆サイクルであり、プロセスを逆転させると逆カルノーサイクルになります。熱と仕事の相互作用の方向が完全に逆転します。

• 低温熱源から取り込まれる熱量は Ql

• 高温熱源に放出される熱量は Qh

• 行われる仕事は Wnet-in

逆カルノー循環は通常のカルノー循環と同じですが、プロセスの方向が逆になっています。

カルノー循環の歴史

カルノー循環は、1824年に「N. L. サディ・カルノー」によって発明されました。サディ・カルノーは、熱と仕事の関係を発見したことから、熱力学の創始者として知られています。カルノーは、熱が本質的に異なる形の仕事であることを最初に認識した一人でした。

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