- 科目
- 熱力学
- 章
- 熱機関のサイクル
- 図番
- 09 / 14
- 内容
- シミュレータ・例題3問
どんなに工夫しても、66.4% が限界カルノーサイクルと第二法則(効率の上限)
熱を仕事に変える機械の効率は、2つの絶対温度だけで上限が決まる(1 − TL/TH)。600℃ の蒸気と 20℃ の海水の間なら 66.4% で、1000 MW の熱を入れても少なくとも 336 MW は海へ捨てる。高温側を 1000℃ にしても 77.0% で、実際の発電所はこの上限よりさらに低い。

このページの内容
この単元のポイント
- 熱を仕事に変えるには、高温と低温の2つが要る。仕事にできるのは温度の落差の分だけで、低温側へ捨てる熱は 0 にできない。600℃ と 20℃ の間で 1000 MW の熱を入れても、少なくとも 336 MW は海へ捨てる。
- 効率の上限は (絶対温度)。600℃ と 20℃ の間なら 66.4%、高温側を 1000℃ にしても 77.0%。
- 実際の発電所は、この上限より低い。600℃ の蒸気で動く最新の石炭火力で約 48%、1600℃級のガスタービンを使う複合発電で 63%(上限 84.3% の約4分の3)。
発電所は、燃料の熱を全部、電気にできる?
海沿いの火力発電所では、燃料を燃やした熱で水を沸かし、高温の蒸気でタービンを回して発電します。タービンを出た蒸気は、海水で冷やして水に戻し、またボイラへ送ります。
蒸気を冷やした海水は温まって、海へ戻ります。燃料の熱の一部は、電気にならずに海へ出ていくのです。
この海へ出ていく熱を、工夫して 0 にすることはできるでしょうか。
予想してから読む600℃ の蒸気と 20℃ の海水で動く発電所。どんなに工夫しても、燃料の熱のうち電気にできるのは、多くて何%?
水の落差と、温度の落差
フランスの技術者サディ・カルノーは、1824年の本『火の動力についての考察』で、熱の動力を、落ちる水の動力にたとえました。水の動力が落差と水の量で決まるように、熱の動力も、温度の落差と熱の量で決まる、と考えたのです。
このたとえを、水車の絵にして読みます。
- 水は、高い所から低い所へ流れ落ちます。熱も、温度の高い所から低い所へ流れます。
- 水車が仕事を取り出せるのは、水が落ちる間だけです。熱機関も、熱が高温から低温へ流れる間に、仕事を取り出します。
- 下の池の水は、まだ海面より高い所にあります。でも、そこから下へは流せないので、その高さの分は使えません。熱も、低温側の温度の分は使えずに、低温側へ流れ去ります。
温度の「高さ」は、絶対零度(0 K、−273.15℃)から測ります。
違いも1つあります。水車の水は、上の池と下の池で量が同じです。熱は違います。熱機関の中で、熱の一部が仕事に変わって、低温側へ流れる熱はその分だけ減ります。流れているのは物ではなく、エネルギーだからです。
カルノーの時代、熱は「熱素」という物で、減らずに高温から低温へ移るだけだと考えられていました。1850年に、クラウジウスが、カルノーの考えの芯は残したまま、「熱は減らない」の部分だけを直しました。
公式はこれ
高温側の絶対温度 から熱 を受け取り、低温側の絶対温度 へ熱 を捨てて、仕事 を取り出す機械を考えます。どんな作り方をしても、効率は次の上限を超えません。
| 記号 | 意味 | この単元の発電所で |
|---|---|---|
| 高温側の絶対温度(蒸気) | 873 K(600℃) | |
| 低温側の絶対温度(冷やす海水) | 293 K(20℃) | |
| 温度の落差 | 580 K | |
| 熱効率の上限(カルノー効率) | 66.4% |
上限は 、つまり 66.4% です。水車のたとえで言えば、「落差 ÷ 絶対零度からの高さ」です。
1秒に 1000 MJ の熱(1000 MW)を蒸気に入れると、取り出せる仕事は多くて 664 MW です。残りの 336 MW は、どうしても海へ捨てます。
家計簿(この科目を通す決まり)
入れた熱 = 取り出した仕事 + 捨てた熱 。上限で動く熱機関では、捨てる熱の割合が になる。
上限で動く熱機関:カルノーサイクル
上限の効率で動く熱機関を、カルノーサイクルといいます。シリンダの中の空気で、4つの変化を順に行います。
| 変化 | すること | 熱の出入り |
|---|---|---|
| 1→2 等温でふくらむ | 高温側にふれたまま、ゆっくりふくらむ | 高温側から を受け取る |
| 2→3 断熱でふくらむ | 熱を止めて、さらにふくらむ | なし(温度が から へ下がる) |
| 3→4 等温で押し縮める | 低温側にふれたまま、ゆっくり押す | 低温側へ を捨てる |
| 4→1 断熱で押し縮める | 熱を止めて、さらに押す | なし(温度が から へ上がる) |
等温の変化は 等温変化、断熱の変化は 断熱変化 の単元で計算しました。熱を受け取るのも捨てるのも、温度の差の無い所(気体と同じ温度の側)でゆっくり行います。だから、熱が温度の差を流れて、仕事を取り出す機会を失うことがありません。
1周して囲んだ面積が、1サイクルの仕事です(P-V線図と仕事 の単元)。上の図の空気でも、仕事 ÷ 受け取った熱は、閉じた式と同じ値になります。
公式を、かたまりに分けて読む
- 入れた熱の全部(1) 家計簿のはじめは、入れた熱の全部です。
- 捨てる熱の割合 低温側の高さ ÷ 高温側の高さ。水車の下の池の、海面からの高さにあたります。これが 0 になるのは、低温側が絶対零度のときだけです。そんな冷たい物は、ふつうは手に入りません。
式の中に、空気・水蒸気といった、中で働く物の名前がありません。上限は、2つの温度だけで決まります。
どの数字がいちばん効く?
初期値(600℃ と 20℃)から、1つずつ変えたときの上限です。
| 変えるもの | 効率の上限 | 変化 |
|---|---|---|
| 高温側の絶対温度を10%高く(873 K → 960 K、687℃) | 69.5% | +3.0 ポイント |
| 低温側の絶対温度を10%低く(293 K → 264 K、−9℃) | 69.8% | +3.4 ポイント |
| 高温側を 60 K 上げる(660℃) | 68.6% | +2.2 ポイント |
| 低温側を 20 K 下げる(0℃) | 68.7% | +2.3 ポイント |
同じ 10% なら、低温側を下げるほうが少しよく効きます。温度の差で比べると、もっとはっきりします。低温側の 1 K は、高温側の約 3 K( 倍)に当たります。
ただ、低温側は、まわりの海や空気の温度より下げられません。冷やす機械を動かすと、その分の仕事が要るからです。だから発電所は、高温側を上げる工夫を続けてきました。
実際の発電所は、上限より低い
J-POWER の竹原火力発電所 新1号機(2020年に運転開始)は、600℃・27 MPa の蒸気で動く石炭火力です。発電の効率は約 48% です(発電端・低位発熱量基準)。600℃ と 20℃ の上限 66.4% の、7割ほどです。
ガスで動く発電所は、高温側をもっと上げています。燃やしたガスでガスタービンを回し、その排気の熱で蒸気を作って、蒸気タービンも回します。これを複合発電(コンバインドサイクル)といいます。
西名古屋火力発電所 7-1号(2017年に運転開始)は、タービンに入るガスの温度が 1600℃級で、発電の効率は 63.08%(低位発熱量基準)です。2018年に、当時の世界最高の効率の複合発電として、ギネス世界記録に認められました。1600℃ と 20℃ の上限は 84.3% なので、上限の約4分の3です。
| 発電所 | 高温側 | 効率の上限(低温側 20℃) | 実際の効率 |
|---|---|---|---|
| 石炭火力(竹原 新1号機) | 600℃ | 66.4% | 約 48% |
| 複合発電(西名古屋 7-1号) | 1600℃級 | 84.3% | 63% |
上限に届かないのは、タービンの羽根と蒸気の間の摩擦や、温度の差のある所を熱が流れる損があるからです。たとえば、ボイラの中では、燃料の炎の熱が、それよりずっと温度の低い 600℃ の蒸気へ流れます。炎と蒸気の間の落差は、仕事に使われていません。
動かしてみよう
高温側 と低温側 のスライダーを動かしてください。左の図では、上の池と下の池の高さが変わり、紫の水車のところで熱が細くなります。細くなった分が仕事です。下の帯は、入れた熱が、仕事(紫)と捨てる熱(黄土)にどう分かれたかを示します。
右の線図は、低温側をいまの温度にしたときの、効率の上限です。高温側を上げるほど、伸び方が小さくなります。紫の点は、実際の発電所です。
試してみよう0 / 3
- 高温側 tH を 100℃ まで下げ、低温側 tL を 100℃ まで上げる(温度の落差を 0 にする)。そのあと、下の帯で仕事の分を見る(まだ)
- 低温側は 20℃ のまま、高温側 tH を 1000℃ に上げる。効率の上限と、捨てる熱を見る(まだ)
- 高温側 tH を 1600℃(最新のガスタービンに入るガスは 1600℃級)にする。右の線図で、実際の発電所の点と比べる(まだ)
いまの式(数字を入れた形)
- 熱効率の上限(カルノー効率)
- 取り出せる仕事の上限(1秒あたり)
- 低温側へ捨てる熱(1秒あたり)
- 高温側の絶対温度
- 低温側の絶対温度
- 温度の落差
途中の計算(導出)を見る
温度を絶対温度に直す(℃ に 273.15 を足す)
効率の上限(落差 ÷ 絶対零度からの高さ)
取り出せる仕事の上限(1秒あたり)
低温側へ、少なくとも捨てる熱(家計簿:入れた熱 − 仕事)
つまり、ものを作るときは
効率を上げたいときは、高温側を上げる。蒸気の温度を 600℃ 前後まで、ガスタービンでは 1600℃級まで上げてきたのは、このためです。そのぶん、熱に強い材料が要ります。
捨てる熱は、使い道を探す。どうしても捨てる熱を、お湯や暖房に回す仕組み(コージェネレーション)があります。車のエンジンも熱機関なので、ラジエーターで熱を捨てています。冬の車の暖房は、この捨てる熱を使っています。
よくある勘違い
「技術が進めば、効率は 100% に近づく」
摩擦や熱の漏れを全部なくした、理想の熱機関でも、上限は です。これは技術の問題ではなく、熱を仕事に変えるときの決まりです。この決まりを、熱力学の第二法則といいます。
| 考え方 | 600℃ と 20℃ の間の上限 |
|---|---|
| 工夫しだいで全部 | |
| ℃ のまま (600 − 20) ÷ 600 | |
| 絶対温度で (873 − 293) ÷ 873 | 66.4% |
「熱を全部、仕事に変えられる場面がある」
等温変化の単元では、等温でふくらむとき、入れた熱が全部、外への仕事になりました。でも、それは1回ふくらむだけの話です。ふくらんだ気体を元に戻して、もう一度使うには、どこかで熱を捨てる必要があります。くり返し動く機械では、熱を全部は仕事にできません。
「低温側は、まわりの温度とは関係ない」
低温側は、熱を捨てる先です。発電所なら海水、車なら外の空気です。夏に海水が温かくなると、上限が下がります(下の例題2)。
この公式が使える条件
- 高温側と低温側の温度は、熱を出し入れしても変わらない(大きな熱の源と、大きな捨て先)
- 温度は絶対温度 [K] で入れる
- 上限は、くり返し動く熱機関の、どんな作り方にも当てはまる。中で働く物(空気・水蒸気)にはよらない
- 実際の機械の効率は、摩擦や、温度の差のある所を熱が流れる損で、上限より低くなる
式の導き方(くわしく知りたい人へ)
カルノーサイクルの熱を、空気で計算する:等温の変化では、温度が変わらないので内部エネルギーも変わりません。家計簿から、受け取った熱 = 外にした仕事です。等温変化の単元の仕事の式から、
体積の比がそろう:断熱の変化では が一定でした(断熱変化)。2→3 と 4→1 に当てはめると、
左の式を右の式で割ると 、つまり です。
効率:2つの ln が同じなので、割ると と ln が消えます。
どの熱機関も、これを超えない:カルノーサイクルは、逆向きに回すこともできます(仕事を入れて、低温側から熱を汲み上げ、高温側へ出す)。もし、これより効率の高い機関があったとすると、その機関でカルノーサイクルを逆回しにすれば、差し引きで、仕事を何も入れずに、熱が低温側から高温側へ流れることになります。熱が低いほうから高いほうへひとりでに流れることはないので、そんな機関はありません。
例題
例題1 発電所の、捨てる熱
ある火力発電所では、ボイラで 550℃ の蒸気を作り、25℃ の海水で冷やします。燃料から、1秒に 2000 MJ の熱(2000 MW)を蒸気に入れます。
(1) この温度の間で動く熱機関の、効率の上限。(2) 取り出せる仕事の上限 [MW]。(3) 海へ捨てる熱は、少なくとも何 MW か。
ヒント 1 / 2
温度は絶対温度に直してから使います。、。
ヒント 2 / 2
捨てる熱は でも、 でも出せます。
答えと解き方を見る
温度を絶対温度に直す(℃ に 273.15 を足す)
効率の上限(落差 ÷ 絶対零度からの高さ)
取り出せる仕事の上限(1秒あたり)
低温側へ、少なくとも捨てる熱(家計簿:入れた熱 − 仕事)
上限で動いても、入れた熱の3分の1より多い 724 MW を海へ捨てます。実際の発電所は上限より効率が低いので、捨てる熱はもっと多くなります。
例題2 冬の海と夏の海
600℃ の蒸気で動く発電所が、海水で冷やしています。海水の温度は、冬は 10℃、夏は 28℃ です(低温側の温度を、海水の温度とみる)。
(1) 冬と夏の、効率の上限。(2) 夏に、冬と同じ上限にするには、高温側を何℃にすればよいか。
ヒント 1 / 2
に、冬は 、夏は を入れます。
ヒント 2 / 2
(2) は、 が冬の上限と等しくなる を求めます。 です。
答えと解き方を見る
海水が 18 K 温かいだけで、上限は約 2.1 ポイント下がります。取り戻すには、高温側を 55 K 上げて 656℃ にしなければなりません。低温側の 1 K は、高温側の約 3 K に当たります。
例題3 コーヒーで動く熱機関
80℃ のコーヒーを高温側、20℃ の部屋を低温側にして動く、小さな熱機関を考えます。
(1) 効率の上限。(2) コーヒーから 1 kJ の熱を受け取ったとき、取り出せる仕事の上限。(3) その仕事で、1 kg のおもりを何 m 持ち上げられるか。
ヒント 1 / 2
温度の落差は 60 K、高温側の絶対温度は 353.15 K です。
ヒント 2 / 2
持ち上げる高さは、仕事 ÷(質量 × 重力加速度 9.81 m/s²)です。
答えと解き方を見る
落差が 60 K しかないので、上限でも 17%。残りの 830 J は部屋へ流れます。この 1 kJ がそのまま部屋へ流れると、170 J を取り出す機会が失われます。それを数で表すのが、次の単元のエントロピーです。