熱機関

エンジンの理論

写真。 エンジンの運転手。 ニューコメンやワットは、頭でっかちの理論家ではなく、実践的な「やり手」でした。ニューコメンが最初の蒸気機関を作ってから1世紀以上もたった1824年にフランス人のニコラ・サディ・カルノ（1796-1832）が登場して初めて、エンジンの仕組みや改良方法を科学的に理解しようと試みられました。カルノは、エンジンをより効率的にする方法（言い換えれば、同じ量の燃料からより多くのエネルギーを得る方法）を解明することに関心があった。実際の蒸気機関をいじって試行錯誤で改良しようとするのではなく（ワットがニューコメンのエンジンで取ったようなアプローチ）、彼は紙の上に理論的なエンジンを自作し、代わりに数学と戯れた。 蒸気機関は本質的に非効率的である。 カルノは、効率を最大にするには、このようなエンジンの蒸気を過熱し（通常の沸点100℃を超えるように）、シリンダー内でできる限り膨張させて冷却し、ピストンにできる限り多くのエネルギーを与える必要があることを教えてくれたのです。

カルノーサイクル

カルノー熱機関は、現在カルノーサイクルと呼ばれている4つのステップを延々と繰り返すことによって、理論上、最良のピストンおよびシリンダーエンジンがどのように動作するかのかなり単純な数学モデルである。ここでは詳細な理論や数学には触れません（興味のある方は、NASA のカルノー サイクルのページや Michael Fowler 氏による素晴らしいフラッシュ アニメーションのある Heat Engines: the Carnot Cycle のページを見てください）。 気体は熱源からエネルギーを得て膨張、冷却し、ピストンを押し出す。 ピストンがシリンダー内に戻ると、気体を圧縮して加熱するので、気体は最初と全く同じ圧力、体積、温度でサイクルを終えることになる。 カルノーエンジンは、摩擦や周囲の環境にエネルギーを奪われることがない。 カルノーエンジンは、摩擦や周囲の環境によってエネルギーが失われることがなく、完全に可逆的である。

エンジンの効率は？

注目すべきは、カルノーが出した結論である。サイクルの開始時にシリンダー内の流体の温度を高くすると効率が良くなり、サイクルの反対側で温度を低くすると効率が良くなるのである。 発電所の蒸気タービンが冷却塔で蒸気をできるだけ冷やすのはそのためで、そうすることで蒸気から最大のエネルギーを得て、最大の電気を生産することができるのです。 現実世界では、自動車や飛行機のような動く乗り物には冷却塔のようなものは当然ありませんし、低いTmin温度を達成するのは難しいので、代わりにTmaxを上げることが通常重視されます。自動車、トラック、ジェット機、宇宙ロケットなどの実際のエンジンは非常に高い温度で働きます（したがって、合金やセラミックスなどの高温材料から作らなければなりません）。

エンジンの最大効率は？

熱機関の効率には限界があるのでしょうか。 あります。 上の式によると、どのエンジンも Tmax/Tmax = 1 よりも効率的であることはできず、これは 100 % の効率と同じですが、ほとんどの現実のエンジンはそれに近いことはできません。 仮に、蒸気機関が50℃から100℃の間で稼働しているとしたら、その効率は約13％である。 これを100％にするには、蒸気を絶対零度（-273℃、0K）まで冷やさなければならないが、それは明らかに不可能である。 たとえ氷点下（0℃または273K）まで冷やせたとしても、27%の効率しか得られないでしょう。 熱機関は、大きな温度差の間で働くとより効率的です。 氷のような一定の最低温度 (0°C または 273K) を仮定すると、最高温度を上げるにつれて効率は徐々に上昇します。 しかし、温度が50℃上がるごとに、効率が下がっていくことに注意しよう。 言い換えれば、最高温度を上げるだけでは、効率を100％にすることはできないのです。

このことは、後の蒸気機関（リチャード・トレヴィシックやオリバー・エヴァンスなどの技術者が先駆者）が、トーマス・ニューコメンなどが作ったものよりはるかに高い蒸気の圧力を使った理由も理解するのに役立ちます。高圧のエンジンは、より小さく、軽く、移動する乗り物に搭載しやすかったが、効率もはるかに高かった。 これは大きな進歩だが、100％にはまだ遠い。 発電所の蒸気タービンは、一般的に大気圧の200倍以上の高圧で使用される。 200気圧では、水は約365℃（～640K）で沸騰し、水を氷点下まで冷やすことができれば、理論上の最大効率は約56％になります（他に熱損失や非効率な部分がない場合）。