質問: カルノーサイクルは、高温と低温の2つの、熱容量が無限大(有限であれば熱のやりとりで温度が変化してしまう)の熱浴の間で動作する熱機関です。 カルノーサイクルが可逆であると言うとき、それはカルノーサイクルとそれに関与する外界を含めた全体が可逆的に変化することを意味し、そのことは、第二法則を根拠にした、当該熱浴の間で動作する可逆機関の熱効率が唯一無二なものであることの証明、を担保しています。(ちょっと日本語変かな?) 一般にある過程が可逆であるというのは、その熱機関に相当する部分と過程に関与する外界を合わせた系全体の過程が可逆であることを意味すべきと思います。 カルノーサイクルは考えたらすごくスマートにできています。2つの温度の間を断熱過程でつないでいるので、関与する外界の熱浴は必要最低限の2つで済んでいます。 一般に可逆過程を考えるとき、作業物質の温度は連続的に変化します。カルノーサイクルではこの部分を断熱過程にしていましたが、一般にはそうなりません。そうなると、過程の外部に用意すべき熱浴は、温度が連続的に異なる、連続的に無限大の数の熱浴でなければなりません。 ところで、カルノーサイクルが正運転するときに外界に行う仕事は理想的に力学的エネルギーで保存されるべきと思います。そうでないと逆運転のときエネルギーをサイクルに返してやることができません。ところが・・・そのための外界の力学メカが想像つきません。 で、上記の連続的に無限大の数の熱浴です。機関がこれと熱のやり取りをするって、かなり悩むメカになりませんか? ※考えている系は、一定量の理想気体からなる系でその平衡状態のみを対象にします。pV=nRTの関係があるため、この状態は3変数(p,V,T)の内のどれか2変数の組で指定することができます。例えば、pとVで張られる平面上の点は、この系の1つの平衡状態を指定しています。この平面上に引いた任意の曲線は、1つの準静的過程を表しており、同時に1つの可逆過程でもあろう、と考えます。 ※このようなことに悩まず先に進むのが建設的だとは思っています。でも、どうしても気になるわけです。 上記の2つの「メカ」につき、悩みに答える有益なご意見をお寄せください。それ以外の点についてでも結構です。・・・笑うのはご自由ですが、どうかお手柔らかに。
回答: 人類が作った機械の中で、最大の熱効率を持つのは大砲です。戦艦大和の主砲46cm砲の熱効率は0.7から0.8です。50cm砲の試射では砲身が裂けてしまいましたが、上手くいっても熱効率η=1を超える事はできません。 熱機関は、熱量を移動する装置です。可逆とは、加熱と冷却を可逆に行う過程です。カルノーサイクルは、考えてみると元の状態に戻るから、動いてないのと同じで循環過程です。熱を捨てないから、点火しても砲弾が途中で詰まって出てこない状態です。古典熱力学は、現象論で考えます。力学的エネルギーなどは出てきません。 出入する気体の状態式は、PV=RTなので、PとVの関係で表します。 可逆熱機関は、熱量を移動する事によって熱を可逆に移動する、熱伝達によらない熱機関です。熱効率η=1を超えて、特許になっています。この先は大砲の熱効率を超える熱機関でないと、特許にならないと思います。