カルノー効率

カルノー効率は、熱力学第二法則で許される、熱機関が達成できる最大の熱効率を記述している。 この法則は、1824年にSadi Carnotによって導き出された。 カルノは、熱機関の効率が100％に近づくことはないのか、それとも超えられない上限があるのか、熱機関の最大効率について考え抜いた。 その結果、最大値があることが判明し、カルノは理論的にその効率が得られる理想的なエンジンを開発し、カルノーエンジンと名づけた。 カルノー効率と呼ばれる最大効率は、図1に示すように、高温側と低温側の温度とにのみ依存し、次式で与えられる

(1)

第二法則では、熱源で仕事をする熱力学的過程で廃熱が発生することが必要である。 このような過程は、式

(2)

で与えられ、熱効率は

(3)

となる。

• は燃料からシステムに供給される熱
• はシステムから廃熱として知られるコールドシンクに与えられる熱
• はシステムが達成する有用な仕事

従ってカルノー効率はあらゆる熱機関から達成できる最大仕事量を与える。 式（1）から、効率を上げるか下げるかすれば、効率を上げることができることがわかる。 したがって、理想的にはコールドシンクの温度を絶対零度にしたいところだが、これは不可能であることが知られている。 現実には、コールドシンクは地球環境である。 つまり、コールドシンクの温度は約280〜300ケルビン、ホットソースは燃焼燃料の温度で約1100ケルビンである（ただし、研究は常にこの温度を高くしようと試みている）。 これらの温度は、カルノー効率の値を与えます。

カルノーエンジン

カルノーエンジンは、可逆的な機械的および熱的相互作用を有するプロセスを使用して、理想的なエンジンです。 つまり、エントロピーを増大させることなく（エネルギーを損失することなく）、エンジンがその運動を経て初期状態に戻ることができるのである。 エンジンがエントロピーを増大させることなく初期状態に戻るためには、エンジンがそのサイクルを通じて熱平衡状態にあることが必要である。 このようなエンジンが存在するための条件は以下の通り：

• 機械的相互作用：摩擦という形でエネルギーが失われることはなく、したがってこれらの機械的過程（）において熱移動はなく、断熱過程として知られている。

• 熱的相互作用：熱移動は無限に遅く（準静的として知られている）、このため熱移動がない。 これは、システムと入出力熱の温度差がほとんど同じであるため、熱移動が無限の時間をかけて行われることを意味する。 これらの交換は、等温過程と呼ばれる系の内部温度を一定に保つことによって行われなければならない。

これらの性質だけを持つ機関はカルノー機関と呼ばれ、「完全可逆機関」として、最大の熱効率（）と、冷蔵庫として運転する場合の成績係数（）を示す。 このようなエンジンは、効率は最大になるが、理想化されたプロセスでは、大きな仕事を出力するのに非常に時間がかかるため、効果という点ではひどく非現実的である。 Schroeder が言うように、「わざわざ車にカルノーエンジンを搭載する必要はない。燃費は良くなるが、歩行者に追い越されてしまう」

カルノーエンジンについてもっと知りたい方は、NASA または hyperphysics.

を参照してください。