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

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、現役の早稲田生が解説します。

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！

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1：熱効率の前に、まずは熱機関を復習！

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。

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？

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

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。

 

熱効率のまとめ

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！

この記事の執筆者

ニックネーム：やっすん

早稲田大学商学部4年
得意科目：数学