熱力学に詳しい人へ

質問

熱力学に詳しい人へ

ポンポン船が進む原理を教えて下さい。

回答No.1

kenchin · ベストアンサー

ポンポン蒸気船って呼ばれる奴で良いのでしょうか？

イメージは参考URLをご覧いただくとして....。
要するに、
　1.水を熱して蒸気にすると、体積が増える。
　2.それが配管の開放された側から噴出して
　　推進力になる。
ってことです。

水槽の水全体を冷媒として見るなら、スターリングエン
ジンみたいなもんですが、まぁ液体の相変化を利用して
いるってことですね。

【スターリングエンジン】
http://members.jcom.home.ne.jp/kobysh/stirling/stirlingIntro.html

□
で、昔から河などでよく見かけられた「ポンポン船」と
いう奴なら、これは焼き玉エンジンです。
単純に言うなら、ガソリンエンジンの代わりに、シリンダ
ヘッドに焼いた球体（焼き玉）を置いといて、燃料を圧縮
して、焼き玉の熱で点火するって感じです。
（もうちょい正確に言うなら、ディーゼル機関の着火を
　焼き玉でやるって感じです。）

参考URL：

http://www.tohoku-epco.co.jp/niigata/mizu/asobi/as3/

補足

ありがとうございます。

よろしければもう少しお付き合い下さい。

補足：この原理を式で書くとどうなりますか？

私は熱力学の法則と等圧、等温、定容、断熱変化など、
基本的なことしかわかりません。
できれば、なるべく丁寧におねがいします。

回答No.2

kenchin

>よろしければもう少しお付き合い下さい。

はい、結構ですよ。
理想気体の状態変化については、既にご存じの様子です
から、理解されるのも早いと思います。

>補足：この原理を式で書くとどうなりますか？

えっと、これは焼き玉エンジンでしょうか？　それとも
ポンポン蒸気船（スターリングサイクル）でしょうか？
あと、「式」とは理論熱効率の式で宜しいですか？

□
一応、スターリングサイクルの簡単な説明と、理論効率
の式を解説しておきます。
ここからは、参考URLの一番上の図解＆P-V線図とあわせ
てご覧くださいね。

まず、配管中の水は、沸点以下の状態では配管の開放端
から水圧で押されていますから、入熱ｑ1によって等容
変化を起こします。[1-2の部分]

水が沸点を迎えると、水→蒸気への相変化（等温変化）
が起こり、配管内の圧力は上昇します。
つまり、熱Ｑ1は温度の上昇（顕熱）ではなく、状態変化
（潜熱）に寄与するということで、この部分は等温変化
ですね。　[2-3の部分]

　※：この時、配管内の水全てが蒸気となるわけでなく
　　　配管出口に近い部分は液体のままですね。
　　　この水の部分が上図のピストンの役割を果たして
　　　いるわけです。

そのうちに配管の開放端まで蒸気が到達しますと、これは
ピストンが無くなるのと同じ状態なので、蒸気の一部が開
放端から放出されます。
この時、配管内には蒸気が充満しているんですが、配管
端では、外部の低温水と蒸気が接触し、蒸気は潜熱を失
い始めます。（冷却）　
ただし、この瞬間を捉えると、蒸気は潜熱の一部を水に
奪われている段階ですから、まだ凝縮には至らずに
容積自体は変化がないわけですね。[3-4の部分]

次に、配管端の蒸気が十分に冷やされ凝縮を始めます。
すると、凝縮した量に相当分の水が配管内部に侵入しは
じめます。　　　この侵入してきた水に接触した蒸気は
次々に凝縮しますから、最後は配管に水が充満します。
この時、蒸気は水に熱Ｑ2を奪われているんですね。
実際は、水が進入している間も、外部からは熱が加えら
れていますから、進入してくる水の温度も上がるわけで
すけど、水の進入が瞬間的に終了するので、等温圧縮と
考えて良いでしょう。 [4-1の部分]

□
スターリングサイクルの理論熱効率式です。

η = 1 - Q2/Q1
(κ-1)(τ-1)Inε
= ------------------
(τ-1)+τ(κ-1)Inε

　　但し、
Q1=q1+Q1
Q2=q2+Q2
圧縮比ε=V1/V2
温度比τ=T3/T2

参考URL：

http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/kiriki/begin/princi-j.html