ヒートポンプについて

質問

ヒートポンプにおいて、
・高温熱源接触→断熱膨張→低温熱源接触
　　　高温熱源から切り離したあと、
　　　シリンダー内の気体を断熱膨張させるとき、外力によって
　　　ピストンを引き、温度を低温にするのか、
　　　高温熱源に接していたときの膨張力（慣性）によって
　　　断熱膨張し低温になるのか、わかりません。

・低温熱源接触→断熱圧縮→高温熱源接触
　　　　この場合においても同様に疑問です。

お願いいたします。

回答No.6

hiroshi9999

高温熱源に接していたときの膨張力（慣性）によって断熱膨張し低温になるのではありません。なぜならば、高温熱源に接しているとき膨張するのは、準静的過程において（つまり、じわ～っと動いている）膨張するので、慣性力は働かないからです。
　また、これはあまり自信がないのですが、断熱膨張をさせるときも準静的過程で行っているので外力は掛からないのだと思います。なんで力を掛けていないのに動くのかというのは大いに疑問でしょうが、理想的な状態を思考実験したものがカルノーサイクルなので、そういうこともあるのでしょう。（笑）

・低温熱源接触→断熱圧縮→高温熱源接触
これがヒートポンプですね。この場合も同じで、準静的過程でサイクルさせているので、外力は働いていないと考えられると思います。

　朝永振一郎著「物理学とは何だろうか」岩波書店　これは啓蒙書みたいな本なのですが、その辺のことについて触れていたと思うので、読んでみたらいかがでしょうか？

回答No.5

tocoche

＞等温膨張（高温熱源接触時）の時の慣性
というのは、ピストンやカウンタウエイトに与えられた運動量のことですよね？

気体が膨張する力は、単純に外（大気圧）より圧力が高いためですから、等温膨張でも断熱膨張でも同じように発生し、断熱膨張時には結果的に温度が下がります。　もしかして、そのカルノーエンジンの初圧（熱も力も加えていない状態）は、大気圧に等しいのでしょうか？　ならば膨張過程においてピストンやカウンタウエイトの慣性力によって、エンジン内の圧力が大気圧以下になっても無理やり膨張させられる状態になります。　このとき気体はエネルギーを放出しつづけていますが、結果的にエンジンを止める方向に働きます。

大気圧機関の場合は、ＮＯ．４は無効です。
気体の変化は、熱と力がどのくらい出入りしたかということですから、シリンダに穴が開いたりしないかぎり、Ｐ－Ｖ線は必ずつながると思います。

お礼

だいぶイメージがつかめました、ありがとうございます。

＞Ｐ－Ｖ線は必ずつながると思います。
申し訳ありません、言い方が悪かったです。
現実にはピストン・シリンダー間に摩擦があり、
高温熱源の温度と低温熱源の温度にかなりの開きがあれば
等温膨張（高温）→断熱膨張→等積変化（圧力下降）
→等温圧縮（低温）→・・・
（断熱膨張時にピストンがとまってしまうから）
となってしまいますよね？

そうして、あの滑らかなカルノーエンジンのＰ～Ｖ曲線が
滑らかにならなくなってしまうのかなあ、ということが
言いたかったわけでした（＾＾；

回答No.4

tocoche

＞カルノーエンジンについて
でしたか。　補足を見落としたようで、Ｎ０．３の回答は無かったことにしてください。　長々と下らないことを書いて、お恥ずかしい。

では手短に。
エンジンでは、断熱膨張時には気体から力を取り出すので、ひっぱる必要はありません。　断熱圧縮時には力を加えて下さい。　あとは専門の方、お願いします。

補足

いえいえ、とんでもございません、
ヒートポンプについても大分イメージがつかめてきました。

＞エンジンでは、断熱膨張時には気体から力を取り出すので
　それは、等温膨張（高温熱源接触時）の時の慣性で、
　高温熱源から切り離してもピストンが押し出され、
　結果、気体が低温熱源の温度まで下がる、ということなのでしょうか？
　でないと、カルノーサイクルＰ～Ｖグラフのように線がつながらない
　と思うんですが・・・。

回答No.3

tocoche

低温側から高温側に熱を移動させたいのですから、サイクルのはじまりを少し変えて考えてみましょう。

・ピストンを思いっきり引っ張って断熱膨張させ、気体の温度を低温熱源温度より下げる。
・低温熱源に接触させ、低温熱源から気体に熱を流し込む。
・低温熱源から切り離してピストンを離すと、さっき思いっきり引っ張っていたので（シリンダ内の気圧が低いので）ある程度ピストンが戻るが、気体の体積が最初の状態より大きくなっている。
・今度はピストンを思いっきり押して断熱圧縮させ、気体の温度を高温熱源温度より上げる。
・高温熱源に接触させ、気体から高温熱源に熱を放出する。
・高温熱源から切り離してピストンを離すと、さっき思いっきり押していたので（シリンダ内の気圧が高いので）ある程度ピストンが戻るが、気体の体積が最初の状態より小さくなっている。

基本的には、これの繰り返しです。　膨張，圧縮とも気体が元に戻ろうとする力に加えて、外力を働かせます。（注射器で低圧の気体を高圧側に移すのに似ていますね）

回答No.2

poohhoop

ヒートポンプは一般に
断熱圧縮→等圧冷却→断熱膨張→等圧加熱→断熱圧縮・・・・・
のサイクルを繰り返します。
ここで作動気体の状態を【　】で書きます
（ここで温度を超高温などと書いてますが、「超高温＞高温＞低温＞超低温」という意味で考えてください）

断熱圧縮→【超高温高圧】→等圧冷却（高温熱源接触）→【高温高圧】→断熱膨張→【超低温低圧】→等圧加熱（低温熱源接触）→【低温低圧】→断熱圧縮・・・・・

ここで外力が必要なのは【低温低圧】→【超高温高圧】となる断熱圧縮過程のみです。
断熱膨張過程は【高温高圧】→【超低温低圧】ですので膨張弁等を使って外力無しで変化させます。

ただし、実際のヒートポンプでは気体と液体の相変化も利用しますので、高温高圧気体は高温液体であり等圧冷却行程では凝縮が起こり、等圧加熱では蒸発が起こります。

補足

大変申し訳ありませんでした、この質問はヒートポンプでなくて
カルノーエンジンについての質問でした。

しかしヒートポンプについても（のほうが）
あまりイメージがつかめなかったのでお二人の意見はとても
参考になりました。

回答No.1

opechorse

もしかしたら意図と違う答えになるかもしれませんが、

・高温熱源接触→断熱膨張→低温熱源接触
これは下記のように考えます
常温常圧－(断熱圧縮)－高圧高温－常温高圧－(断熱降圧による温度低下)－常圧低温－(低熱源として使用)
　　　　　　　｜
　　　　　常圧常温と接触(熱移動)
つまり断熱圧縮によって高温にした空気を冷却後、断熱膨張(降圧)することによって
温度低下を起こすものです

・低温熱源接触→断熱圧縮→高温熱源接触
常温常圧－断熱圧縮－高温高圧
　　　　　　　　　　　　｜
　　　　　　　　　　常圧常温と接触－常圧高温－熱源として使用
つまり、断熱圧縮によってえられた熱を使用するのが
ヒートポンプです