エネルギー管理士に関する情報を発信します。エネルギー管理士サイトマップお問い合わせSNSアカウントエネ管.com過去問で実際に出題された暗記問題を定期的につぶやきます。ブログの更新情報や最新ニュースをお届けします。LINE@で追加Youtubeチャンネルを開設しました。短期間で確実に合格したい・スマホを使ってすき間時間に勉強したい・独学だけでは分かりにくいそんな方にお勧めの通信講座です。2020年1月26日カルノーサイクルは温度の異なる2つの熱源で動作する熱サイクルの1種です。熱機関について学ぶ時に最初に出てくる熱サイクルで、理論上の最大効率を示します。今回は、カルノーサイクルとは何か?について詳しく解説してみたいと思います。こちらの記事は動画でも解説しているので、動画の方がいいという方はこちらもどうぞ。カルノーサイクルとは?カルノーサイクルは、1824年にフランスの物理学者ニコラ・レオナール・サディカルノーが考案した理想的な熱サイクルです。18世紀半ばから19世紀にかけて起こった産業革命で、いかに効率よく燃料から動力を生み出すかという課題が出てきたことから考案された理論サイクルです。4つの過程を繰り返し、熱エネルギーを動力に変換します。等温変化は外部との熱のやり取りがある状態、断熱変化は外部との熱のやり取りがない状態での膨張、圧縮を表します。カルノーサイクルは理想的なエンジンの動きを表し、その効率は理論上の最大値を示します。ここでいう効率とは、燃料の熱がどれほど動力としての仕事に変化したかを表します。カルノーサイクルでは高温熱源の温度と低温熱源の温度だけで効率が計算できるというのも大きな特徴です。【タービン】タービン効率の考え方、熱落差ってなに?タービンについて勉強していると「熱落差」という聞きなれない言葉が出てきます。...続きを見る【ボイラー】ボイラー効率が100%を超えるのはなぜ?ボイラー効率とは、燃料の持つエネルギーの何%が蒸気に変換されたかという指標です。カルノーサイクルの工程カルノーサイクルは次の4つの工程で完結します。等温膨張(温度一定で熱源から熱をもらい膨張)断熱膨張(熱のやり取りをなくし膨張させる)等温圧縮(温度一定で放熱させて圧縮する)断熱圧縮(熱のやり取りをなくし圧縮する)このサイクルを図に表すと次のようになります。それぞれの工程について見てみます。ピストンの中に空気が入っていると考えてください。ここに高温の熱源を近づけると熱が伝わり、ピストンの中の空気が膨張します。この時、温度は一定で熱源からもらうエネルギーはすべて膨張する(外部に仕事をする)ために利用されます。...続きを見る熱が伝わることで空気が膨張する仕組みは、熱力学第1法則を考えるとよくわかります。熱力学第1法則から温度T一定のまま変化したとすると、温度に関する内部エネルギーは変化しないのでもらった熱は仕事に変換されるということが分かります。等温変化の圧力、体積、温度の関係は次の式でも表すことができます。外部との熱のやり取りがない状態で内部の空気が膨張していきます。熱のやり取りがない状態で気体が膨張すると、熱力学第1法則から内部の温度は低下します。外部と熱のやり取りがない状態変化を断熱変化と呼びます。断熱変化の温度と体積の関係は次の式で表せます。低温熱源を利用して等温変化でピストン内の空気から熱を奪います。等温膨張とは逆の動きで内部の気体が収縮していきます。これを等温圧縮といいます。この時、内部の圧力は下がり、体積は小さくなります。熱のやり取りがない状態で、気体が圧縮され初期の状態に戻ります。これを断熱圧縮といいます。高温熱源から熱をもらい等温膨張が始まります。このように、カルノーサイクルは高温熱源と低温熱源を利用して一連のサイクルを完結させます。一連の流れが動画になっているのでこちらも載せておきます。熱機関には、圧力Pと体積Vの関係を表したPV線図と温度TとエントロピーSの関係を表したT-s線図というものがあります。カルノーサイクルのPV線図とT-s線図は次のようになります。カルノーサイクルPV線図カルノーサイクルTs線図それぞれの状態に1~4の番号を付けています。赤い矢印が受熱、青い矢印が放熱を表しています。3つがそろえば実現することができます。断熱変化は外部との熱のやり取りがなく、等エントロピー変化となっています。実際の熱機関では、ピストンとシリンダーとの摩擦などによりエントロピーは増加するので等エントロピー変化はあくまで理想的な状態を表しています。こちらの動画も全体の流れを理解するのに役立ちます。【熱力学】似てるけど全然違う!エンタルピーとエントロピーの違いは?エンタルピーとエントロピー。熱力学で最初に出てくる言葉ですが、名前が似ていて分かりにくいですよね。カルノーサイクルの熱効率は?熱機関の目的は、熱源から動力を取り出すことです。与えた熱エネルギーがどの程度、動力に変わったかを表すものが熱効率です。カルノーサイクルが考案された理由はどの条件を変化させれば熱効率を上げることができるか?ということでした。カルノーサイクルでは高温熱源と低温熱源の温度差によって熱機関の効率が決まることが分かります。カルノーサイクルの熱効率は次の式で表すことができます。$$η=\frac{T1-T2}{T1}$$※Tの単位はK(ケルビン)です。実際に熱機関の効率を求めてみましょう。熱機関の効率は、分母に与えた「熱源のエネルギー」分子に「取り出せる仕事」を置き次のように表すことができます。$$η=\frac{W}{Q1}$$η(イータ):熱効率、W:取り出せる仕事(J)、Q1:熱源のエネルギー(J)ここで、熱機関自体に摩擦などのエネルギー損失が全くないと仮定して、失った熱エネルギーはすべて仕事に変換されると仮定すると「取り出せる仕事W」は次の式で表すことができます。$$W=Q1-Q2$$Q1:熱源のエネルギー(J)、Q2:失った熱量(J)これを代入すると$$η=\frac{Q1-Q2}{Q1}$$ここから、等温変化と断熱変化の式からカルノーサイクルの効率を温度Tだけで表せるように持っていきます。カルノーサイクルで等温変化するタイミングは1⇒2と3⇒4の2つです。高温熱源(T1)から熱をもらう低温熱源(T2)へ熱を与える高温熱源の温度をT1、低温熱源の温度をT2とすると、等温変化の時の熱量変化は次の式で表すことができます。時には、次のポアソンの式が成り立ちます。...このポアソンの式を2⇒3と4⇒1に当てはめると、次の式が成り立つことが分かります。$$\frac{P1}{P2}=\frac{P4}{P3}・・・3$$123の式から$$\frac{Q1}{Q2}=\frac{T1}{T2}$$という式が成り立ち、これを効率の式に当てはめるとカルノーサイクルの熱効率は最終的に次の式で表すことができます。$$η=\frac{T1-T2}{T1}$$※Tの単位はK(ケルビン)です。熱機関の最大効率は高温熱源の温度を上げるか、低温熱源の温度を下げてやれば上がります。熱機関で発生する正味の効率は?カルノーサイクルから、高温熱源と低温熱源の温度によって取り出せる最大仕事は変化するということが分かりました。実際には上の式で出した効率を出すことはできません。それは、熱が仕事に変化する過程で気体と機械との摩擦(内部損失)や機器自体の摩擦(外部損失)が発生するからです。実際にはこれらを加味したうえで効率は計算されます。$$η=η1η2η3$$理論熱効率:η1、機関効率:η2、機械効率:η3タービン効率についてはこちらの記事でも書いてますので参考にしていただければと思います。【タービン】タービン効率の考え方、熱落差ってなに?タービンについて勉強していると「熱落差」という聞きなれない言葉が出てきます。実際に計算してみようカルノーサイクルの式を利用して、実際に最大効率を計算してみましょう。問題ある蒸気をつかって発電を行う蒸気タービンについて考えます。入口蒸気温度250°C、出口の復水の温度が40°Cの場合、このタービンの理論最大効率はいくらでしょう?これに対する解答は次のようになります。カルノーサイクルの効率の式を使って$$η=\frac{T1-T2}{T1}$$ここで$$T1=273+250$$$$T2=273+40$$より$$η≒0.40$$最大効率は40%だとわかります。まとめこの記事のポイントカルノーサイクルは理想的な熱サイクル2つの等温変化と2つの断熱変化で構成される最大効率は入出の温度のみで決まる実際には内部損失や外部損失を考慮した効率になる熱機関を理解するのに、カルノーサイクルの考え方は必須なのでしっかりと押さえておきましょう。実際に計算するときは、温度が°Cではなく絶対温度K(ケルビン)で計算しないといけないことに注意しましょう。カルノーサイクルについてはこちらの本が詳しく書かれていておすすめです。カエレバ楽天市場AmazonYahooショッピング熱機関に関する記事は他にもあるので、こちらもあわせてどうぞ。2020/1/26【熱機関】コージェネレーションとコンバインドサイクルの違いは?大規模な工場では、自家発電設備を保有し、燃料から電気と蒸気を取り出すコージェネレーションシステムが構築されています。今回は、電気と蒸気を取り出すコージェネレーションとコンバインドサイクルの違いについて書いてみたいと思います。...ReadMore2020/1/26【スターリングサイクル】スターリングエンジンの熱サイクルスターリングサイクルはスターリングエンジンに利用される熱サイクルでシリンダ内に封入されたガスを加熱・冷却することでピストン運動を行うサイクルです。スターリングサイクルの基本はカルノーサイクルと同様になります。この記事では、スターリングサイクルとはどのようなサイクルなのか、カルノーサイクルとは何が違うのかについて解説していきたいと思います。...ReadMore2020/1/26【ブレイトンサイクル】ガスタービンやジェットエンジンの理論サイクルブレイトンサイクルは、ガスタービンやジェットエンジンで利用される熱サイクルです。燃料を燃やして発生するガスを利用して推進力や回転力を得ることが出来ます。この記事では、ブレイトンサイクルを利用してガスタービンやジェットエンジンがどのように動力を得るのか、また、効率良くエネルギーを取り出すためにはどうすればいいのかについて解説していきたいと思います。...ReadMore2020/1/3【ディーゼルサイクル】ディーゼルエンジンが軽油で動くのはなぜ?ディーゼルサイクルはディーゼルエンジンなどに利用される熱サイクルでオットーサイクルと同様に燃料の熱エネルギーをピストン運動に変換します。この記事ではディーゼルサイクルとはどのようなサイクルなのか、オットーサイクルとは何が違うのか、また効率を高めるためには何がポイントなのかについて解説していきたいと思います。...ReadMore2020/1/3【オットーサイクル】5分でわかる!オットーサイクルとは!?オットーサイクルは、ガソリンエンジンやガスエンジンなどで利用される火花点火の熱サイクルで、ガソリンなどの燃料が持つ熱エネルギーをピストン運動に変換します。この記事では、オットーサイクルを利用してエンジンがどのように動いているのか、また何を変化させれば効率よくエネルギーを取り出すことができるのかについて解説していきたいと思います。...ReadMoreまた、カルノーサイクルがよくわかる面白雑貨もあるのでお勧めです。短期間で確実に合格したい・スマホを使ってすき間時間に勉強したい・独学だけでは分かりにくいそんな方にお勧めの通信講座です。レビュー記事はコチラその他の講座一覧はコチラSNSアカウントエネ管.com過去問で実際に出題された暗記問題を定期的につぶやきます。ブログの更新情報や最新ニュースをお届けします。LINE@で追加Youtubeチャンネルを開設しました。最短で資格を取得するためには、いかに効率よく学習するかが重要です。現場技術系の資格取得をサポートするおすすめの通信講座を紹介します。イラストを多用したシンプルで分かりやすいテキストと動画がセットになっています。価格もお手頃で、特に熱力学などを学んだことのない初学者におすすめの通信講座です。エネルギー管理士以外にも電験や衛生管理者など25の資格の通信講座を展開しています。詳細ページへ公式サイトへ現場系通信講座の老舗「JTEX」40年の実績がある現場系通信講座の老舗です。動画はなく、レポート提出形式の通信講座になります。価格もお手頃でテキストが分かりやすいと評判です。最新記事エコおじいプラント系のエンジニアです。皆さんにとって少しでも分かりやすい情報を発信します。どれがいい?3つのおすすめ業者を紹介あなたエネルギー管理士の資格を最短で取得したい。コメントをキャンセルメールアドレスが公開されることはありません。...【ブレイトンサイクル】ガスタービンやジェットエンジンの理論サイクルブレイトンサイクルは、ガスタービンやジェットエンジンで利用される熱サイクルです。...【熱機関】コージェネレーションを導入するメリット、検討条件は?大型の工場では、事業継続性などの観点でコージェネレーションを導入する事業者も増えています。内燃機関の違いとは?燃料を燃焼させて熱を取り出し、動力として利用するものを熱機関といいます。LINKSNSアカウントエネ管.com過去問で実際に出題された暗記問題を定期的につぶやきます。ブログの更新情報や最新ニュースをお届けします。エネルギー管理士に関する情報を発信します。AFFINGER5.。