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5分でわかる!熱機関の熱効率:e(1サイクルで定義)

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この動画の要点まとめ

ポイント

熱機関の熱効率:e(1サイクルで定義)

熱力学16 ポイント1 全部

これでわかる!
ポイントの解説授業
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今回は 熱機関の熱効率 について解説していきましょう。

熱機関=熱エネルギーを仕事に変える装置

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熱機関 とは何か想像できますか?熱機関とは 熱エネルギーを仕事に変える装置 のことです。

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今まで具体例としてみてきた、シリンダーにピストンをとりつけたものも熱機関といえます。例えば、シリンダー内に封入した気体に熱エネルギーを与えると、気体は膨張しますよね。気体は外部に仕事をするので、まさに熱エネルギーを仕事に変える装置、熱機関だといえます。

熱力学16 ポイント1 左側の図

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熱機関の代表的な例としては、車やバイクなどに使われている エンジン があります。エンジンは、シリンダーにピストンを取り付けて上下運動する構造をしています。

熱機関の1サイクル

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熱機関が仕事をする 1サイクル に注目してみましょう。1サイクルとは 最初の状態から始まり、1周して元の状態に戻る ということです。下の図を見てください。

熱力学16 ポイント1 2つの図

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まず、気体が熱Q1を吸収しています。熱を吸収して膨張し、外部に仕事をしていますね。ただし、熱機関はここで膨張したままではありません。元の状態に戻る収縮があります。収縮する際には、Q2のエネルギーを外部に放出します。

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熱機関における放出熱Q2は、残念ながら無駄な熱といえます。例えば、車のエンジンを考えましょう。車はガソリンに火をつけて爆発させた時に生まれるエネルギーを利用して、熱機関(エンジン)が仕事をし、走行しています。この際、熱機関(エンジン)は、元の状態に戻るために熱を捨てているのです。それが排気ガスです。排気ガスはあたたかいので、これが無駄な熱だといえば、イメージがつくのではないでしょうか?

熱効率は「吸収熱と放出熱の差」に注目

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熱機関の1サイクルを踏まえて、熱機関の熱効率について解説しましょう。熱効率は 吸収熱のうちどの程度が仕事に使われるのかという割合 で、 e という記号で表されます。熱効率eを求める式は、 分母が吸収熱Q1分子が外にした仕事W となります。

熱力学16 ポイント1 クマさんのまとめ 空欄埋める =Q1−Q2/Q1はカット

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ここで、外にした仕事Wは 吸収熱と放出熱の差Q1-Q2 と表すこともできますね。熱力学第一法則を考えてみましょう。1サイクルということは、最初の状態と最後の状態が同じということなので、温度の変化はありません。つまり 内部エネルギーの変化は0 です。したがって、1サイクルで仕事に利用した熱は、吸収熱と放出熱の差Q1−Q2で表すことができるのです。

熱力学16 ポイント1 クマさんのまとめ 空欄埋める

Suzuki

この授業の先生

鈴木 誠治 先生

知識ゼロからでもわかるようにと、イラストや図をふんだんに使い、難解な物理を徹底的にわかりやすく解きほぐして伝える。

熱機関の熱効率:e(1サイクルで定義)
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