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
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!

 

    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。

    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?

      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!

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            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