低温熱源とは？

質問

熱力学初心者です。よろしくお願いします。
熱機関とは熱エネルギーを力学的エネルギーに変換して仕事をする機械だとならいました。
しかしなぜ、熱エネルギーを生み出す高温熱源だけでなく、そこで発生させた熱エネルギーの一部を捨てる低温熱源が必要になるのでしょうか？そしてそもそも低温熱源つはいったいどういうものなのか？
どなたかご教授ください。

回答No.1

harepanda · ベストアンサー

いや、低温熱源が必要であるという言い方は、少々、不正確なものだと思います。熱エネルギーを運動エネルギーに変換するにあたり、100%の効率で動くものは存在しないので、熱が余分にもれてしまい、低温熱源になっているだけと考えたほうが近いのでは。

回答No.4

siegmund

熱機関というのは，模式的に書くと

┌────────┐
│　　高温熱源　　│T(H)
└────────┘
　　　　│
　　　　∨　Q(H)
　　　　│
┌────────┐
│　　　　　　　　│　W
│　　熱機関　　　│─＞─ 仕事
│　　　　　　　　│
└────────┘
　　　　│
　　　　∨　Q(L)
　　　　│
┌────────┐
│　　低温熱源　　│T(L)
└────────┘

となっています(等幅固定フォントで見てください)．
絶対温度 T(H) の高温熱源から熱Q(H)を受け取り，
一部は仕事 W にし，残りの熱 Q(L) は絶対温度 T(L) の低温熱源に
捨てるというものです．
Q(L) をゼロにできれば低温熱源はいらないわけですが，
そういうことはできないというのが熱力学第二法則といわれるものです．
熱が漏れるとか，摩擦などで無駄が生ずるとか，そういうレベルの話ではなく，
熱というものの本質に関係した話です．
実際的には，watico さんが言われるように，低温熱源は環境の温度でしょう．

エネルギーの保存から
Q(H) = Q(L) + W
ですが，全く熱の漏れなどがない理想的な場合には
Q(H):Q(L):W = T(H):T(L):{T(H)-T(L)}
であることが示されています．
上の式から直ちに
W/Q(H) = {T(H)-T(L)}/T(H)
となりますが，これが watico さんの書かれている効率η(カルノー効率)です．

低温熱源が必要(Q(L) をゼロにできない)のは，
次の例で納得頂けますかね．
20℃の水を２リットル用意します．
２つに等分して１リットル分から熱をもらって仕事(例えば，電気エネルギー)にします．
水は熱を取られてしまうから冷えますが，
これを水が0℃なるまでやったとしましょう．
次に今得た電気エネルギーで残りの20℃の水１リットルを温めて(電気ヒーターなど使う)やると，
それが40℃になったところでエネルギーを使い切ることになります．
つまり，20℃の水２リットルが，0℃の水１リットルと40℃の水１リットルになりました．
外部からは何もエネルギーはもらっていませんから，
ただで動く冷蔵庫ができました．
そんな馬鹿な話はありませんよね．
こんな機関は第二種永久機関といわれています(もちろん，あり得ない！)．

低温熱源が必ず必要なのは，熱力学ではトムソンの原理
あるいはオストヴァルトの原理として知られています．

回答No.3

watico

低温熱源は具体的には外気（空気）の場合が多いのではないでしょうか。
熱エネルギーを力学的エネルギーに変換するには、ガスを加熱して圧力と増加体積の積として取り出します。Ｗ＝ｐ・ΔＶ
熱機関では仕事を連続的に（何度も）取り出す必要があるので、膨張したガスをもう一度冷やして元の体積に戻してやります。
燃焼ガスの熱を奪うにあたり、熱放射で自然に冷えるのを待って居るのでは時間が掛かり能率が悪いので、何か冷たい物（低温熱源）を接触させてやることによりガスを冷やします。
高温熱源は温度が高い程、低温熱源は温度が低い程、ガスの体積変化を大きくできるので熱効率は高くなります。η＝（ＴH－ＴL）／ＴH

回答No.2

foobar

低温熱源
熱エネルギーを流し込んでも、低い温度を保つもの
というので如何でしょうか。
（熱エネルギーの流入で温度が上がってしまっては、熱機関を働かせるのに必要な温度差を取れなくなってしまいます。）