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【プラント設計の基礎】熱力学とは?

2018年9月1日

現役プラントエンジニアが教えるプラント設計の基礎知識。

学校では教えてくれないことを中心に、実務に直結する内容を書いていきます。

今回は「熱力学」について語ります。

熱力学は難しいが身近にありふれている分野

熱力学は私たちの日常生活の中でありふれたものです。ところが、実際に熱がどのように移動しているのか? 移動した結果どのように使われているのか? などが全く目に見えないので、非常に理解しづらい学問の一つです。

しかし、熱力学がなければ、電気、空調、エンジン、などがこれほどまでに発達することは無かったです。

機械技術者の間で単に「熱力」と呼ばれることが多い熱力学は、熱を扱い、発電所、冷凍機、ヒートポンプ、エンジンなどの設計に使われる学問です。

熱力は、熱エネルギー、水(蒸気)、冷媒、燃料(石炭、ガソリン、天然ガスなど)などを吸収したり放出したりする物質の性質を扱います。

熱力学の基礎その1:熱力学の第1法則

熱力学には基本的に2つの法則があります。最初の法則は熱力学の第1法則と呼ばれ、別名「エネルギー保存の法則」とよばれています。この法則で述べていることは「エネルギーの総量の差は0になる」という事です。

つまり、エネルギーは創造されたり破壊されたりすることはできないということです。

熱力学の第1法則の例は、例えばあなたが車を運転するときにどのようなことが起きている考えてみましょう。

熱力学の第1法則によれば、エンジンによってガソリンが燃焼されたときに放出される熱エネルギーは、エンジンによって車を加速させるエネルギーに加えて、排気ガスとして無駄に放出されるエネルギーなどすべてを加えたものとなります。

熱力学の第1法則より、エンジン、冷却装置などの設計が可能になります。

熱力学の基礎その2:熱力学の第2法則

熱力学の第2法則は、100%効率的なものを作ることは不可能であるということです。いいかえると、一つの熱源から熱を受け取り、これを全て単一の仕事に変える以外に,何の変化もおこさないようにする事は不可能である。

したがって、上記の車の例に戻って、熱力学の第2法則は、ガソリンを燃焼した際のすべてのエネルギーを車の加速のみに使うことはできないという事です。

熱いエンジン部品からの大気に奪われた熱エネルギーと、排気管を通って出てくる排気ガスについても考慮しなければならないことを示しています。

この熱エネルギーは、本質的にはガソリンを無駄にし、有用な仕事をしません。しかし、設計作業を行うときに対処しなければならない本当の現象です。

熱力学の基礎:まとめ

熱力学は普段は目に見えないことから、理解が難しい所があります。しかし、実際には私たちの生活に密着しており、熱力学の進歩により車のエンジンの効率やエアコンの性能などが日々進化しています。

マンガでわかる熱力学

 

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