5週目

エネルギー変換工学 第5週目

熱エネルギーの変換

1. 熱の性質と気体の状態変化
• 温度: 物体の冷熱の度合いを示す指標。絶対温度はKで表され、-273℃が絶対零度。
• 比熱: 物体の単位質量の温度を1度上げるのに必要な熱量。比熱C、質量mの物体の熱容量qはq = Cm。
2. 熱から機械的仕事の変換
• 熱量Qと機械仕事Wの関係: Q = AW（Aは仕事の熱当量）。
• 内部エネルギーの変化: 物体に熱を加えると内部エネルギーが増加し、外部に仕事を行う。
• エンタルピー（i）: 物体の内部エネルギーと圧力エネルギーの和。
3. 気体の変化
• 等温変化: 温度が一定の状態で気体の圧力と容積は反比例する（pv = K）。
• 定圧変化: 圧力が一定の状態で気体の温度に比例して容積が変化する（pv/T = R）。
• 断熱変化: 熱の出入りがない状態での気体の変化（Pv^γ = K）。
4. エントロピー（s）
• エントロピーの変化: 物体に熱を加えるとエントロピーが増加し、熱を奪うと減少する。
• エンタルピーとの関係: エンタルピーiの変化に比例し、ds = di/T。
5. 水蒸気の特性
• 飽和温度: 一定圧力で水が蒸発する温度。1気圧で100℃、20気圧で211℃。
• 飽和蒸気と過熱蒸気: 飽和温度に達した蒸気をさらに加熱すると過熱蒸気になる。

熱サイクル

1. 熱の機械エネルギーへの変換
• 熱量dQと内部エネルギーdu、仕事dwの関係: dQ = du + Adw。
2. 熱サイクルの種類
• カルノーサイクル: 等温変化と断熱変化の組み合わせ。効率は最も良いが実現が困難。
• 内燃機関サイクル: 実際の内燃機関で使われるサイクル。等圧、等積、等積-等圧のサイクルがある。
• ガスタービンサイクル: 圧縮前後のガスの圧力P1、P2で構成されるサイクル。
• ランキンサイクル: 蒸気サイクルで最も重要なサイクル。飽和水から過熱蒸気までの変化を含む。
3. 再熱サイクルと再生サイクル
• 再熱サイクル: 蒸気を再加熱して効率を向上。
• 再生サイクル: 蒸気を数段階に分けてタービン外に抽出し、給水を加熱して効率を向上。

発電所の熱効率

1. 発電所の構成
• ボイラ: 燃料の熱量を蒸気の熱エネルギーに変換（効率85-90%）。
• タービン: 蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換（効率84-94%）。
• 発電機: 機械エネルギーを電気エネルギーに変換（効率98%）。
2. 発電所熱効率（η）
• η = ηb × ηc × ηt × ηg
• 正味の熱効率（η'）: 発電所内の補機などに消費する動力を差し引いた効率。
3. 発電所熱消費率
• 1kWhの電力を発生するのに必要な熱量（H = 3600/η [kJ/kWh]）。

この週では、熱エネルギーの変換とその基礎概念、熱サイクルの種類と効率、発電所の構成と熱効率について学びます。