熱効率とは、
熱機関(
エンジンや
発電所など)が
熱エネルギーをどれだけ有効に仕事に変換できるかを示す指標です。投入された
熱エネルギーに対する、得られた仕事(
動力や
電力)の
割合で表され、百分率で示されます。例えば、100ジュール分の
熱エネルギーを投入して30ジュールの仕事を得た場合、
熱効率は30%です。残りの70ジュールは、摩擦
熱や排
熱など、無駄な
エネルギーとして失われます。
熱効率は、
熱力学の第一法則と第二法則によって制約を受けます。第一法則は
エネルギー保存則を表し、
熱効率が100%を超えることは不可能です。第二法則は、
熱エネルギーを完全に仕事に変換できないことを示しており、
熱効率が100%になることもありません。つまり、
熱効率は常に100%未満の値となります。
カルノーサイクルと理想的な熱効率
フランスの
物理学者サディ・カルノーは、理想的な
熱機関である「カルノーサイクル」を考案しました。カルノーサイクルは、高温の
熱源から
熱を吸収し、仕事を行い、低温の
熱源に
熱を排出するサイクルです。その
熱効率は、高温
熱源の絶対
温度(T1)と低温
熱源の絶対
温度(T2)を用いて、以下の式で表されます。
η = 1 - (T2 / T1)
この式から、高温
熱源の
温度が高く、低温
熱源の
温度が低いほど、
熱効率が高くなることがわかります。しかし、絶対
温度は常に正の値であるため、カルノー効率は常に1(100%)未満となります。実際の
熱機関の
熱効率は、様々な要因によりカルノー効率を下回ります。
様々な熱機関の熱効率
熱効率は、
熱機関の種類によって計算方法や指標が異なります。
発電所: 発電所の
熱効率は、
燃料の発
熱量に対する発電量の
割合で表されます。発電端
熱効率と送電端
熱効率があり、発電端
熱効率は
発電機の発電量を、送電端
熱効率は
発電所から送電される正味の
電力量を用いて計算します。
調理・給湯機器: 家庭用ガス給湯器や
石油給湯器など、日本では省
エネルギー法に基づき、
熱効率が規定されています。
空調暖房機器: 建材試験センター規格(JSTM)に基づいた試験方法で
熱効率が測定されます。
内燃機関: エンジンの
熱効率は、
燃料の化学
エネルギーに対する出力仕事の
割合で表されます。
エンジンの種類、運転状態、設計によって大きく異なります。
カルノー効率と実際の熱効率
実際の
熱機関の
熱効率は、様々な要因(摩擦、
熱伝導、排気損失など)によってカルノー効率を下回ります。カルノー効率に対する実際の
熱効率の比率を「カルノー効率比」と呼び、
熱機関の性能評価に用いられます。カルノー効率比が高いほど、理想的な
熱機関に近い動作をしていると言えます。
熱効率向上のための取り組み
熱効率の向上は、
エネルギーの節約、環境問題への対応において非常に重要です。様々な技術開発によって
熱効率向上への取り組みが続けられており、より効率的な
熱機関の開発、廃
熱の有効活用、材料技術の改善などが行われています。
まとめ
熱効率は、
熱機関の性能を示す重要な指標です。
熱力学の法則により100%に到達することは不可能ですが、様々な技術革新により、
熱効率の向上は常に追求されています。
熱機関の種類によって
熱効率の算出方法は異なり、それぞれの用途や特性を考慮した最適な設計が求められます。また、カルノーサイクルは、
熱効率向上のための理論的な限界を示し、
熱機関設計の指針となっています。