熱機械の理論は、熱エネルギーを機械エネルギーに、またはその逆に変換することを可能にする特定の熱力学システムの記述と物理的研究に焦点を当てています。 19世紀半ばに設立され、熱力学、特に最初の 2 つの原則に基づいています。
誕生
熱機械 (特にカルノー) を同一視したいという願望が、熱力学、特に第一原理と第二原理の起源となっています。ファインマンが『物理学講座』で指摘しているように、これは工学科学が基礎物理学の重要な進歩を可能にした稀なケースの 1 つです。
理論的基礎
第一原則
熱力学の第一法則は、機械的仕事をシステムの熱および機械エネルギーに関連付けます。システムがサイクルを実行できる場合、連続する 2 つのサイクル間のエネルギー変動はゼロになります。
- ΔE = W + Q = 0
仕事と熱は関連しているため、これらの変数の一方を制御することで、もう一方の変数に影響を与えることができます。一般的な場合、熱機械からの流体は、熱Q 1 、 Q 2 、… 、 Q nを提供する異なる温度T 1 、 T 2 、…、 T nの熱源と接触します。そしてジョブWを受け取ります。流体から見たこれらの値を代数化します。Q iは、ソースからリークへの移動が発生する場合は正であり、必要な場合は負です。
Wの符号に従って熱マシンに名前を付けます。
たとえば、冷蔵庫は、冷蔵庫の内部であるいわゆる冷熱源と、外部雰囲気であるいわゆる熱源の 2 つの熱源に接触しており、循環を可能にするポンプを作動させる電気仕事を受けます。熱流体の。この例では、 Q Fは正 (冷蔵庫からエネルギーを抽出します)、 Q C は負 (「空気を加熱する」)、 W は正 (電気モーターが流体を循環させることで流体にエネルギーを与えます) です。
クラウジウスの不等式
最初の原理は、熱機械の基礎を築くものであれば、その研究の一部を無視しています。実際、エントロピーを扱う熱力学の 2 番目の原理は、「永久運動」などの逸脱に反対しています。また、クラウジウスの不等式の形で、機械の理論上の最大効率を予測することも可能になります。
サイクル全体にわたって機械の熱流体に適用される 2 番目の原理は、次のように記述されます。
- Δサイクル=変更+変更
ここで、 Sは状態関数 ( d Sは厳密微分) であるため、次のようになります。
- Δサイクル= 0
多くの場合、
- $$ {S_{echangee}=\sum_{i=1}^{n} \frac{Q_{i}}{T_{i}}} $$そして$$ {S_{creee} \geq 0} $$
- それで$$ {\sum_{i=1}^{n} \frac{Q_{i}}{T_{i}} \leq 0} $$。
仮想の「可逆の場合」 、 S c r e e = 0では、クラウジウス-カルノーの等式が得られます。
- $$ {\sum_{i=1}^{n} \frac{Q_{i}}{T_{i}} = 0} $$
この限界の等価性から、マシンに期待できる最大の理論的効率を確立できます。
熱機械の収率、効率
熱機械の効率は無次元量であり、次のように定性的に表すことができます。
- 」 $$ {\frac{ce \; qui \; est \; utile}{ce \; que \; l’on \;fournit}} $$」
より厳密にエネルギーの観点から見ると、
- $$ {\eta = \frac{\Delta E_{fournie}}{\Delta E_{consommee}}} $$。
ディサーミック熱機械の理論上の最大効率は、カルノー サイクルと呼ばれる 2 つの等温線と 2 つの断熱線からなる完全に可逆的なサイクルによって達成されます。この制限は熱源の温度にのみ依存するため、使用されるテクノロジーには依存しません。
熱機械の効率r を、理想的なカルノー効率に対する実際の効率の比として定義することもできます。
- $$ {r = \frac{\eta_{reel}}{\eta_{Carnot}}} $$
構造上、システムの損失と不可逆性により、効率rは常に 1 より低くなります (理想的な場合は等しい)。効率は温度に依存しますが、使用されるガスの化学的性質、内部摩擦、さらには環境にも依存します。熱損失。実際のケースでは、理論上の限界にかなり近づいており、これらの分野ではまだ多くの進歩が残されています。
サーマルマシンの例
内燃機関(蒸気エンジンに代わる内燃機関の一種) や冷蔵庫など、多くの熱機械が一般的に使用されています。ヒートポンプや外燃エンジンなどのより多様な用途は、有望ではありますが、一般的ではありません。
