熱効率

熱効率

熱効率は記号 $e$ で示される物理量です。

熱機関が、高温部（熱源）から熱 $Q_1$ を吸収し、$W$ の仕事を行い、低温部へ $Q_2$ の熱を捨てるとします。

低温式のスターリングエンジンを参照してください。

Stirling Engine 学研 大人の科学　スターリングエンジン

スターリングエンジンを知っていますか？ 今回紹介するのは、学研から出ていた「大人の科学」のスターリングエンジン工作キットです。 自分で組み立てるので仕組みがよくわかります。

kokolainen.com

そうすると、熱エネルギーを、有効に仕事に変換できた率を熱効率 $e$ として、次の式で定義されます。

$熱効率=\dfrac{仕事}{吸収した熱量}$

$e=\dfrac{W}{Q_1}$

です。

たとえて言えば、お小遣いを 1000 円 もらったとしましょう。
そして、お菓子を 600 円 買いました。

しかし、痛恨！お菓子屋へ行く途中で 400 円 落としてしまいました。

有効に使えた割合は、$\frac{お菓子の代金}{お小遣い}$　です。

この割合が熱効率と同じ考え方です。

ここで、$Q_1$ と $Q_2$ および $W$ の関係ですが、エネルギーが保存されますから、 図からもわかるように　$Q_1=W+Q_2$　です。

これより、 $W=Q_1-Q_2$　となりますから、

$e=\dfrac{W}{Q_1}$

$e=\dfrac{Q_1-Q_2}{Q_1}$

です。

ここで熱力学第2法則から、捨てる熱 $Q_2$ は $0$ になることはありません。

したがって、必ず　$0\leqq e<1$　です。

いろいろな熱機関の熱効率を示します。

ガソリンエンジン　　0.2 ~ 0.3

ディーゼルエンジン　0.3 ~ 0.4

思ったより低いと思いませんか？
ガソリンエンジンでガソリンの2割から3割程度しか、車の運動エネルギーになっていません。
変換できなかった残りはどうなったのでしょうか？

それは、普通の熱機関では外部に熱として捨てられていたのです。
驚きですね。

効率低いですね。

 

さらに、たとえば $ 40\:L$ のガソリンを燃やして自動車でドライブしたとします。結局、最後は自宅に帰って車を車庫へ入れるわけですから、すべてのガソリンの持っていたエネルギーは熱として環境に放出されるということになります。

 

・・・これじゃあ温暖化するわな。