熱効率の求め方がイラストでよくわかる!豆知識&計算問題付き

物理 2017.1.5

高校物理における熱効率とは何か・熱効率の求め方(熱効率の公式)について、現役の慶應生が解説します。

熱効率とは、熱機関が高熱源から吸収した熱量の何%を仕事に変換できるかの割合を示したものです。(のちに詳しく解説)

本記事では、物理が苦手な生徒でも、熱効率について理解できるよう、スマホでも見やすいイラストを使いながら丁寧に解説します。

最後には、熱効率の豆知識や計算問題も用意した充実の内容です。

ぜひ最後まで読んで、熱効率をマスターしてください!

【 目次 】

1:熱効率の前に、まずは熱機関を復習!

2:熱効率とは?

3:熱効率の求め方(公式)

4:熱効率は100%にはならない!

5:熱効率の計算問題

 

1:熱効率の前に、まずは熱機関を復習!

熱機関のイメージ画像

熱効率の求め方を理解するには、熱機関の理解が必要です。

なので、熱効率の求め方を学習する前に、まずは熱機関の復習をします。(熱機関が理解できている人は次の章へ行って大丈夫です。)

熱機関とは?

熱機関とは、ガソリンエンジンや蒸気機関、ディーゼルエンジンのように、燃料を燃焼させることによって得られた熱エネルギーを仕事に変換する機関・装置のことです。

例えば、蒸気機関車などは、燃料を燃焼させることで動いて(仕事して)いますよね?

蒸気機関車は燃料を燃焼させることによって得られた熱エネルギーで動いているのです。

 

熱機関の仕事の仕組み

熱機関は、燃料を燃焼させることによって得られた熱エネルギー(高熱源)の一部を仕事に変換します。

残りの熱エネルギーは、外部の大気中(低熱源)に放出されます。

熱機関の仕事の仕組み解説画像

以上が熱機関の仕事の仕組みです。

では、次の章からは熱効率とは何か・熱効率の求め方を解説します。

 

2:熱効率とは?

熱効率のイメージ画像

まずは、熱効率とは何かについて解説します。

1章より、熱機関の仕事について解説しました。

熱効率とは、熱機関が高熱源から得た熱量(熱エネルギー)の何%を仕事に変換できるか?という割合を示したものです。

※仕事に変換できなかった熱エネルギーは外部の大気中(低熱源)に放出されるのでした。

熱効率は別名、熱機関の効率とも呼ばれています。

以上が熱効率とは何かの解説です。次の章からは、熱効率の求め方(公式)を解説します。

 

3:熱効率の求め方(公式)

では、熱効率の求め方(公式)を解説していきます。

熱機関が高熱源からQ1[J]の熱エネルギーを吸収し、仕事W[J]を行ったとします。

そして、外部の大気中(低熱源)にQ2[J]の熱を放出したとします。

※この時、Q1=W+Q2になりますね。
熱効率の求め方(公式)解説画像

熱効率とは、高熱源から吸収した熱量(熱エネルギー)の何%を仕事に変換できたか?を示すので、

熱効率(eとする)は、

e = W/Q1

となります。

ここで、W=Q1-Q2なので、

熱効率e

= (Q1-Q2) / Q1

= 1 – Q2/Q1

とも表すことができます。

熱効率の求め方(公式)の解説は以上になります。

 

4:熱効率は100%にはならない!

熱効率のイメージ画像

熱効率eの求め方(公式)は、

e = 1 – Q2/Q1

でした。

ここで、Q2に注目します。

低熱源(外部の大気中)の温度が0[K]のとき以外は、Q2>0となります。

したがって、熱効率e < 1 となります。

つまり、熱機関は、熱エネルギー全てを仕事に変換することはできないということです。

すなわち、熱効率100%の熱機関は存在しないということになります。

【熱効率の豆知識】

熱機関の熱効率は、蒸気機関で20%、ガソリンエンジンで30%、ディーゼルエンジンで40%程度とされています。

 

5:熱効率の計算問題

熱効率の計算問題

最後に、熱効率の計算問題を用意しました。ぜひ解いて、熱効率の理解を深めましょう!

熱効率の計算問題

毎秒800[J]の熱を吸収して、400[W]の仕事をする熱機関がある。

この熱機関の熱効率を求めよ。

解答&解説

熱効率の公式より、求める熱効率は、

400 / 800

= 0.5

したがって、求める熱効率は

0.5×100

= 50[%]・・・(答)

となります。

 

いかがでしたか?熱効率とは何か・熱効率の求め方(公式)が理解できましたか?

本記事では熱効率が100%になることはないという知識も紹介したので、ぜひ知っておきましょう!

熱効率は高校物理でも重要な分野の1つです。

熱効率の求め方(公式)を忘れたときは、本記事を読み返して熱効率の復習をしてください!


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