熱力学の第２法則と不可逆過程 自然に変化の進む方向 熱力学の第２法則 不可逆過程と可逆過程(次週) サイクルの考え方 カルノーサイクル 自然に変化の進む方向 • 第１法則は熱と仕事の等価性 • エネルギー変換 高温熱源 何もしなければ ただ熱は高温から 低温へ移動する １００ 低温熱源 自然に変化の進む方向 • 第１法則は熱と仕事の等価性 • エネルギー変換 高温熱源 熱機関の最大効率は？ １００ ３５ 熱機関 仕事 ３５ 仕事 熱： １００％ ６５ 低温熱源 熱力学の第2法則 The second law of thermodynamics 100 kJ/s (1000 K) ボイラー boilar 100 kJ/s (350 K) 100 kJ/s (1000 K) 熱機関 engine 35 kJ/s (350 K) 仕事率 power 65 kW 65 kJ/s 熱と仕事は区別されるべきである。 熱力学の第2法則 The second law of thermodynamics ボイラー boilar 100 kJ/s (350 K) 100 kJ/s (1000 K) Heat Pump 35 kJ/s (350 K) 仕事率 power 65 kW 65 kJ/s 100 kJ/s (1000 K) 自然の変化 spontaneous change 自然の変化 spontaneous change 自然の変化 spontaneous change • 低温から高温へ熱は自動的に移動するか • 低圧から高圧に物質は自動的に移動するか • 重力場で物体が自動的に上に上がるか 変化の方向は第１法則で説明できない。 熱力学の第２法則 second law of thermodynamics 自然界に何ら変化を残さないで 熱を低温から高温の物体へ継続 して移動させる機械を作ることは 不可能である。 クラウジウス Ｃｌａｕｓｉｕｓ 自然界 熱力学の第２法則 second law of thermodynamics 自然界に何ら変化を残さないで 一定温度の熱源の熱を継続して 仕事に変える機械を作ることは 不可能である。 自然界 ケルビン・プランク Ｋｅｌｖｉｎ・Ｐｌａｎｋ 仕事 熱力学サイクル Thermodynamic cycles オットーサイクル（ガソリンエンジンのサイクル） 仕事 圧 力 体積 Ｗ Ｍ 熱力学サイクル Thermodynamic cycles オットーサイクル（ガソリンエンジンのサイクル） Ｑ１ 仕事 圧 力 Ｑ２ 体積 Ｗ Ｍ Ｑ１ Ｑ２ 熱力学サイクル Thermodynamic cycles 熱効率 thermal efficiency W Q1-Q2 = Q = Q1 1 仕事 Ｗ Ｍ Ｑ１ Ｑ２ 熱力学サイクル Thermodynamic cycles ヒートポンプサイクル（熱ポンプのサイクル） 仕事 Ｗ 圧 力 体積 Ｍ 熱力学サイクル Thermodynamic cycles ヒートポンプサイクル（熱ポンプのサイクル） 成績係数 ＣＯＰ Coefficient of Performance Ｑ１ 暖房 ＣＯＰＨ＝ Ｗ 仕事 Ｗ Ｑ１ Ｍ Ｑ２ 熱力学サイクル Thermodynamic cycles ヒートポンプサイクル（熱ポンプのサイクル） 成績係数 ＣＯＰ Coefficient of Performance Ｑ２ 冷凍 ＣＯＰＣ＝ Ｗ 仕事 Ｗ Ｍ Ｑ１ Ｑ２ 冷凍・ヒートポンプサイクル Refrigeration ・ Heat Pump cycle Ｑ２ ＣＯＰＣ＝ Ｗ Ｑ1 ＣＯＰH＝ Ｗ COPH-COPC= Q1-Q2 COPH=COPC+1 Ｗ Q1-Q2 =1 = Q1-Q2 カルノーサイクル Carnot cycle 等温膨張（温度Ｔ１で熱量Ｑ１を取り込む） 断熱膨張 等温圧縮（温度Ｔ２で熱量Ｑ２を放出） 断熱圧縮 カルノーサイクル Carnot cycle 等温膨張W12=Q1=mRT1ln(V2/V1) 断熱膨張W23=mcV(T1-T2) 等温圧縮W34=-Q2=mRT2ln（V4/V3） 断熱圧縮W41 =mcV(T2-T1) Q2 mRT ln（V /V ） 2 3 4 =1=1Q1 mRT1ln(V2/V1) カルノーサイクル Carnot cycle Q2 mRT2ln（V3/V4） =1=1Q1 mRT1ln(V2/V1) 1 -1 -1 Ｔ１Ｖ２ =Ｔ2Ｖ3 Ｔ1Ｖ1-1 =Ｔ2Ｖ4-1 2 p 4 3 v Ｖ２ Ｖ3 = Ｖ1 Ｖ4 カルノーサイクル Carnot cycle Q2 mRT2ln（V3/V4） =1- Q =1mRT1ln(V2/V1) 1 Ｔ２ =1Ｔ１ カルノーサイクルの熱 効率は作動流体によ らず温度のみで定ま る。 超カルノーサイクル Super Carnot cycle T1 Q1’ Q1 E Q2 W Q1- Q2 T2 P Q2’
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