カルノーサイクルの膨張、圧縮の原理について

質問

カルノーサイクルでは、

等温膨張→断熱膨張→等温圧縮→断熱圧縮というサイクルで仕事をするものですが、

いまいち原理がわかりません。

http://rikanet2.jst.go.jp/contents/cp0280/contents/cont/063168.html

のURLでアニメーションを見たのですが、なおわかりません。

１、高熱源に接触させるとピストンは膨張します。これは日常的にも沸騰させると空気は膨張するので理解できます。しかし、初期の状態でピストンと熱源の温度はまったく一緒なのですよね？
なのになぜ熱の移動が起きるのでしょうか？
すなわちピストン内部の温度が200度ならば、熱源も200度なのですよね？
それはぴったり200度すんぶんのくるいもなくなのですよね？なぜなら、参考書などをみても温度はT1のピストンをT1の熱源に接触させるみたいなことが書いてあるからです。

２、アニメーションを見ると断熱台に接触しているときも、膨張していますが、なぜ膨張するのですか？
熱をもらっていないのですよね？
なにもエネルギーをもらってないのに、ピストンが自発的に勝手に動き出しているようにしか見えないです。低熱源の時も同じです。これは、熱源に接触したときの余力？まだあまっている熱がピストンを膨張させているのでしょうか？そしてこれは、最終的には、ピストンを動かせないほどの内部エネルギーになったところで、温度の下降もストップするのでしょうか？

もしかしたら質問の意味伝わらないかもしれませんが、よろしくお願いします。

回答No.2

hitokotonusi · ベストアンサー

2についてですが、アニメーションの右側にあるホイールが慣性で回転運動をしていますので、それに引きずられてピストンは往復運動します。この運動の過程で、気体が外に仕事をする場合はその仕事をうけとってホイールの回転が速くなり、気体が仕事をうけとるところでは逆にホイールの回転は減速しますが、1サイクルトータルではホイールは正の仕事をうけとり、次第に回転速度が加速していくことになります。

車のエンジンをかけるとき、最初にイグニッションキーでスターターモーターを回しますよね。

回答No.1

rnakamra

カルノーサイクルは理想的な機関であり、現実には作ることができないので現実と照らし合わせても無理があります。周りの温度、圧力に完全に追従して動く、などそんなことは現実にはありえません。
説明のためにはあえて、とてつもなく小さい温度差があるとか周りとの圧力差がほんのわずかであるとして考えることもありますが、はっきりいって無理があります。

第一、カルノーサイクルは完全な可逆機関であるため、逆に動かすことも可能です。つまり、その方向に動かす、などというドライビングフォースは存在しません。(存在したら逆に動くはずが無い)

そのことを前提とした上であえて強引に解釈すると

1.熱源の温度がほんのわずかであるが内部の温度よりも高い。
さらに、外部の圧力がほんのわずかであるが内部の圧力よりも低い。
この状態を保ちながら内部の温度が一定になるように熱源と外部圧力を微妙に調整しながら動いている。

2.外部の圧力が内部よりもほんのわずかであるが低い。そのため膨張をする。
内部の圧力はだんだん減少するが、外部のある力もそれに合わせてだんだん低下するのでピストンは動き続ける。

こんなとこでしょうか。要するに外部が常にほんのわずかな差を保ちながら変化している、とでも考えないと動かしようがありません。

まあ、実際に差があったら理想機関にならないので完全に差がないと考えてはいますが。

補足

実際はほんのわずかではありながら、温度差があったんですね。
教科書を見ると、同じ温度としか書いていないので混乱しました。
温度勾配がないと熱は移動しないと勉強したのに、なぜ移動してるんだ。矛盾してるじゃないかと思っていました。
低熱源に接触させたときも、同じように、わずかに、差はないと考えていいほど、低熱源の方が温度が低いから、圧縮されるということなのですね。

この考えは微分みたな考えで、極限の考え方を取り入れているってことなのでしょうか？

ちなみに、このわずかな温度差を考えるというのは、準静的過程を保つためにやっているということでしょうか？