熱力学入門

熱力学第一法則、第二法則、熱機関と冷凍サイクル

ホーム › 記事一覧 › 熱力学入門

1. 熱力学第一法則（エネルギー保存の法則）

熱力学第一法則は、エネルギー保存の法則であり、系のエンタルピー変化は熱と仕事のやり取り的总和に等しい。

ΔU = Q - W
ΔU: 内部エネルギー変化  |  Q: 供給熱量  |  W: 外界にした仕事

2. 熱力学第二法則

熱力学第二法則は、熱が自発的に低温から高温に移ることはできないという法則です。

クラウジウスの表現: 熱は自発的に低温から高温へ移ることはできない
Kelvin-Planckの表現: 单一熱源から熱を全て仕事に変換することはできない

3. エントロピー

エントロピーは、系の无秩序の程度を表す状態量です。

dS ≥ δQ / T
可逆過程では等号、不逆過程では大なり

4. 理想気体の状態方程式

PV = nRT
P: 圧力  |  V: 体積  |  n: 物質量  |  R: 普遍ガス定数  |  T: 温度

5. 熱機関サイクル

5.1 カールノ cycle

最も効率的な可逆サイクルで、等温膨胀・绝熱膨胀・等温圧縮・绝熱圧縮の4過程から成る。

η = 1 - T_L / T_H
T_L: 低温度源温度  |  T_H: 高温度源温度

5.2 オットーサイクル

火花点火機関の理論サイクルで、混合気体の压缩・燃烧・膨胀・掃気が繰り返されます。

η = 1 - 1 / (r^(k-1))
r: 圧縮比  |  k: 比熱比

6. 冷凍サイクル

冷凍サイクルは、圧縮機・凝縮器・膨張弁・蒸発器の4主要機器で構成されます。

COP = Q_L / W_net
COP: 成績係数  |  Q_L: 蒸発器での熱吸收  |  W_net: 圧縮機投入仕事

7. まとめ

熱力学は、エネルギー変換の基本法則を理解する上で不可欠な学问です。第一法則でエネルギー保存、第二法則で変換の方向性と限界を理解することが重要です。