電験まにあ

キーワード：分子間力、理想気体、ボイルの法則、シャルルの法則、理想気体の状態方程式、温度とエントロピーの関係式、圧力・体積・温度の関係式 難易度：★★★★☆（二種レベル） 理想気体とは？ 前々回 と 前回 の記事で、 p-V線図 や T-s線図 上に 熱サイクルを表す方法 を説明しました。 熱サイクルは 動作流体 （火力発電においては 気体 ） の状態変化の繰り返し でしたが、そもそも 状態変化 には どのような種類のもの があるのでしょうか？ 次回の記事で 状態変化の種類 について説明したいと思います。 今回はその 準備編 です。 まずは動作流体である 気体 について考えましょう。 実際の気体 は非常に 小さな分子で構成 されていて、その 分子同士の間 には 分子間力 と呼ばれる力が働いています。 分子のサイズが大きいほど分子間力は大きくなる ので、実際にはあり得ませんが仮に 分子が大きさを持たない とすると、 分子間力はゼロ となります。   このように 分子が大きさを持たず分子間力が働かないような気体 のことを 『理想気体』 と呼びます。 通常の圧力や温度の範囲 においては、気体は 理想気体とほぼ同じような振る舞い をすることが分かっているので、今回の記事では 気体を理想気体として取り扱う ことにします。 ここで 注意すべき なのは、火力発電においては 高温・高圧の蒸気を利用 するので、 理想気体とは異なる振る舞い をすることです。 今後 火力発電について議論 する際には、今回の記事の内容が 100%当てはまるわけではない ということにご注意ください。 ボイル・シャルルの法則 理想気体 においては、 ボイルの法則 と シャルルの法則 が成り立ちます。 『ボイルの法則』 とは、 外部からエネルギーを与えず、かつ温度が一定に保たれるという条件 の下では、気体は 状態変化の前後で圧力と体積の積...

キーワード：エントロピー、T-s線図、正味の熱エネルギー、正味の仕事、熱効率 難易度：★★★★☆（二種レベル） エントロピーとは？ 前回の記事 では、熱サイクルにおける 仕事がどの程度なのか一目で見てわかる ように、 p-V線図 を導入しました。 p-V線図上の 閉じたループの面積 こそが、その熱サイクルにおける 正味の仕事 となることが分かりました。 以前 も述べましたが、火力発電においては、 タービンを回すために使われた仕事 が ボイラで加えた熱エネルギー に対してどのくらいの割合を占めているか、という 熱効率 を議論することがよくあります。 つまり、 仕事だけでなく熱エネルギーも一目で分かるようなグラフ が描ければ、さらに便利になりそうな気がしますよね。 ここで 微小な仕事ΔW が、 で表すことができたことを思い出しましょう。 今度は 熱エネルギーQ に関して、上と 同様な形の式 ができれば良さそうですね。 つまり、 という形です。 （YやΔZはまだ分かりません。） 気体には 圧力、体積、温度という状態 があることは 以前説明 しましたが、 p-V線図では圧力pと体積Vを使った ので、今回は 温度Tを使って みましょう。 つまり上の式の Yを温度Tに置き換え ます。 そうすると 残ったΔZも決まってくる ので、これを Δsと置く と、 となります。 この sのこと を 『エントロピー』 と呼びます。 熱力学の2つ目の壁 である エントロピー ですが、電験合格をターゲットにした場合は この程度の理解で問題ありません。 つまり、 グラフ上で熱エネルギーの収支が一目で分かるようにするために導入 しただけのもの である、という理解です。 （ちなみに 1つ目の壁 は エンタルピー でしたね。） エンタルピーとは異なり、 エントロピー は本当...

キーワード：熱機関、熱サイクル、熱力学第二法則、p-V線図、正味の仕事 難易度：★★★☆☆（三種レベル） 熱機関・熱サイクル 前回説明 したように、 空気が外へ仕事をする ということは、その空気が膨張する勢いを利用して ピストンなどを動かす ということでした。 よく知られているように、空気は 加熱することで膨張 し、 冷却することで収縮 します。 それでは、火力発電などのように 発電機を回すという仕事を長時間続ける ためには、 熱を加え続けるだけで良いのでしょうか？ もしも 無限に長いシリンダーが存在 するならば、その中に閉じ込めてある空気を ずっと加熱 し続ければ、空気は 膨張し続ける ため 外部に仕事をし続け ますので、 半永久的な仕事を得ることが可能 です。 しかし 実際には無限に長いシリンダーなど存在しない ので、 空気を加熱 することで 膨張させて外部に仕事 をし、今度は逆に 空気を冷却 することで 収縮させて元の状態に戻す 、そしてまた加熱して・・・という 繰り返しの動作が必要 になります。 このように 熱エネルギーを利用して連続的な仕事を得る機構 のことを 『熱機関』 といい、熱機関における 動作流体（空気など）の状態変化の繰り返し のことを 『熱サイクル』 と呼びます。 熱力学第二法則とは？ 熱機関 は先にも述べたとおり、 空気を加熱 する、つまり空気の視点からすれば 熱エネルギーを得る ことで膨張して 外部に仕事 をします。 しかしその後、 空気を冷却 する、つまり空気の視点からすれば 熱エネルギーを捨てる こ...