熱機関

概要

熱機関の研究をしていると、実際には作ることができないエンジンのアイデアが出てきます。これを理想的なエンジンやサイクルと呼びます。実際の熱機関は、理想的なエンジンやサイクルを模倣したものと混同されがちです。

一般的に、物理的な装置を説明するときには「エンジン」という言葉を使います。理想を表現するときには「サイクル」という言葉が使われます。

熱力学サイクルは、機械式エンジンの理想的なケースだと言うことができます。同様に、このモデルは機械式エンジンと完全に一致しているわけではないとも言えます。しかし、単純化されたモデルと、それが表す理想的なケースからは、多くの利益が得られます。

一般的には、高温側と低温側の温度差が大きいほど、サイクルやエンジンの効率は高くなる。地球上では、熱機関のコールドサイドは、エンジンがある場所の空気の温度に制限されます。

熱機関の効率を上げるためには、熱源の温度を上げることがほとんどですが、高温になると機関の金属が柔らかくなってしまいます。

現在提案されている、あるいは使用されているさまざまな熱機関の効率は、海洋温度差発電の提案では3％（97％が廃熱）、ほとんどの自動車用エンジンでは25％、超臨界石炭プラントでは45％、蒸気冷却複合サイクルガスタービンでは約60％となっています。これらのプロセスはすべて、プロセス間の温度差によって効率が向上します（あるいは低下します）。

最も効率の悪いOTECは、表層の海水と深層の海水の温度差を利用していますが、その差は25度程度と小さいため、効率は低くならざるを得ません。

最も効率が良いとされる複合サイクルガスタービンは、天然ガスを燃やして空気を1530℃近くまで加熱し、1500℃という大きな温度差があるため、蒸気冷却サイクルを加えると効率が非常に大きくなります。

日常の例

人間が使うのは主に熱機関で、火で熱を発生させて作動流体（通常は水か空気）を膨張させ、ヒートシンクは冷却塔のように水域か大気である。

加熱された気体の膨張を利用した身近なものとしては、蒸気エンジン、ディーゼルエンジン、自動車のガソリン（ペトロール）エンジンなどがある。

スターリングエンジンは非常に珍しいものだが、手のひらの熱で動く小さなモデルがある。

熱機関のおもちゃの一種である「飲み鳥」。

バイメタルストリップとは、温度を機械的な動きに変換する装置で、サーモスタットの温度制御に使用されている。液体や気体を使用しない熱機関である。

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