Heat engine

Japanese: 熱機関 - ねつきかん（英語表記）heat engine

A device that converts energy obtained in the form of heat into mechanical work. Thermodynamically speaking, a heat engine is a device that repeatedly absorbs heat from a high-temperature source, releases a portion of that heat to a low-temperature source, and performs work equal to the difference between the two amounts to an external source. This work is usually mechanical work, but a direct power generation device that converts heat directly into electrical energy is also a heat engine.

[Shozo Sawada]

Basic theory of heat engines

There are reversible and irreversible heat engines. All real heat engines are irreversible. On the other hand, reversible heat engines are ideal and cannot be realized strictly. However, the basic theory of heat engines is established on the most ideal of reversible heat engines, that is, heat engines that operate in the Carnot reversible cycle with an ideal gas as the working medium. First, from the ideal gas equation of state and the first law of thermodynamics, we can accurately calculate the amount of heat Q ₂ absorbed from a high heat source with a temperature of T ₂ and the amount of heat Q ₁ released to a low heat source with a temperature of T ₁ , and as a result, we can see that there is a relationship of Q ₂ / ₂ T ₂ =Q ₁ /T _1. Since the work W done to the outside is given by W=Q ₂ -Q ₁ , this equation is also equal to W/(T ₂ -T ₁ ). The definition of the efficiency η of this cycle, and therefore of this heat engine, is η=W/Q ₂ , so by using the previous result, we can see that η=(T ₂ -T ₁ )/T ₂ . On the other hand, according to Carnot's theorem derived from the second law of thermodynamics, the efficiency of all reversible heat engines operating between a constant high and low heat source is equal and is always greater than the efficiency of an irreversible heat engine operating between these two heat sources. In the end, the aforementioned formula η = (T ₂ -T ₁ )/T ₂ represents the efficiency of all reversible heat engines operating between a high heat source with a temperature of T ₂ and a low heat source with a temperature of T ₁ , and the efficiency of an irreversible engine operating between these two heat sources is always less than this.

Heat engines are broadly divided into external combustion engines and internal combustion engines.

[Shozo Sawada]

External combustion engine

An external combustion engine is one in which the working gas is generated outside the main body of the heat engine. The most representative example is the steam engine, which was put into practical use by Watt in 1765. In this engine, fuel such as coal is first burned in a boiler to produce steam from water. This steam is then sent to the main body of the engine, and the pressure is used to move a piston in a cylinder. During this process, the piston makes a skillful reciprocating motion due to the action of a valve in the valve chamber. To use it as a power source, the piston is connected to a crankshaft through a connecting rod and a crank arm, and the reciprocating motion of the piston is converted into rotational motion of the crankshaft. Steam engines, known as steam locomotives (SL), are still an important form of transportation around the world today. Steam turbines have also been put into practical use as external combustion engines.

[Shozo Sawada]

Internal combustion engine

An internal combustion engine burns a mixture of air and fuel such as gasoline, petroleum, or heavy oil inside the engine, and utilizes the pressure of the high-pressure gas that is produced when the combustion occurs. Based on the method of power generation, they can be divided into the following types:

(1) Piston engines Piston engines are similar to steam engines in that they have a piston reciprocating inside a cylinder, but differ in that they have a fuel combustion mechanism inside the main body. The most widely used engines today are gasoline engines and diesel engines. The former use gasoline and are equipped with a carburetor to vaporize the gasoline and mix it with air, and an ignition device that uses an electric spark. The latter use heavy or light oil, and when the fuel is injected while the air is compressed by the piston, it ignites and explodes, and are equipped with a fuel injection device instead of a carburetor or ignition device.

(2) Gas turbines: A gas turbine is a type of turbine that continuously burns a mixture of high-pressure air from an air compressor and fuel injected from a fuel injection valve, and uses the resulting combustion gas to rotate the turbine. The turbine consists of nozzle vanes fixed to the inside of the casing (outer body), and turbine vanes fixed to the turbine shaft (rotating shaft) just behind the nozzle vanes. A heat exchanger is also installed to improve thermal efficiency.

(3) Rotary engines: A triangular rotor is placed inside the casing. Fuel explodes in the space between the casing and the rotor, causing the rotor to rotate. The rotation of the rotor causes the rotation of a rotating shaft with a gear that meshes with a gear engraved on the inside of the shaft.

(4) Jet engines: inside the engine, fuel is burned with oxygen in the air, and the resulting combustion gases are ejected from the rear of the engine, creating a reaction force that propels the aircraft forward. There are those that use gas turbines and those that do not. The former include turbojets and turboprops (which use a propeller). The latter use the combustion of fuel by the high-pressure air that is generated when flying at high speeds, and there are pulsejets, which have an automatic opening and closing valve for the incoming air, and ramjets, which do not.

(5) Rocket engines Rocket engines are similar to jet engines in that they generate thrust by ejecting combustion gas, but they differ in that the solid or liquid fuel inside the engine is burned by oxygen supplied from an oxidizer also inside the engine, and do not require air at all. Potassium perchlorate is used as a solid fuel (the oxidizer is potassium nitrate, etc.), and alcohol is used as a liquid fuel (the oxidizer is liquid oxygen, etc.). The realization of rocket engines made space flight possible for the first time.

[Shozo Sawada]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

熱の形で得たエネルギーを力学的仕事に変える装置。熱力学的にいうと、熱機関とは、高熱源から熱を吸収し、その熱の一部分を低熱源に放出し、それらの差だけの仕事を外部へなす操作を繰り返し行うものである。この仕事は普通は力学的仕事であるが、たとえば熱を直接に電気エネルギーに変える、いわゆる直接発電装置も熱機関である。

［沢田正三］

熱機関の基礎理論

熱機関には可逆的なものと不可逆的なものとがある。現実の熱機関はすべて不可逆熱機関である。一方、可逆熱機関は理想的なもので厳密にこれを実現することはできないけれども、熱機関の基礎理論は、可逆熱機関のうちのまたもっとも理想的なもの、すなわち理想気体を作業体とするカルノー可逆サイクルを行う熱機関の考察のうえに打ち立てられている。まず、理想気体の状態方程式と熱力学第一法則とから、温度がT₂の高熱源から吸収する熱量Q₂、温度がT₁の低熱源へ放出する熱量Q₁を正確に計算することができ、その結果Q₂/₂T₂=Q₁/T₁という関係があることがわかる。外部へなす仕事WはW=Q₂-Q₁で与えられるから、この等式はW/(T₂-T₁)にも等しい。このサイクルの、したがってこの熱機関の効率ηの定義はη=W/Q₂あるから、前の結果を用いてη=(T₂-T₁)/T₂であることがわかる。一方、熱力学第二法則から導かれるカルノーの定理によると、一定の高熱源・低熱源の間に働く可逆熱機関の効率は、すべて等しく、かつこの二つの熱源の間に働く不可逆熱機関の効率よりかならず大きいということがいえる。結局、前述の効率η=(T₂-T₁)/T₂という式は、温度T₂の高熱源と温度T₁の低熱源との間に働くすべての可逆熱機関の効率を表し、この二つの熱源の間に働く不可逆機関の効率はかならずこれより小さいということになる。

　熱機関は外燃機関と内燃機関とに大別される。

［沢田正三］

外燃機関

外燃機関は、作業体である気体を熱機関の本体の外部で発生させるものである。そのもっとも代表的なものは1765年ワットによって実用化された蒸気機関である。これでは、まずボイラーにおいて石炭などの燃料を燃やして水から水蒸気をつくる。これを機関の本体へ送り、その圧力によりシリンダー内のピストンを運動させる。その際、弁室内の弁の作用により、ピストンが巧みに往復運動をする。動力機として使用するのには、ピストンをコン・ロッド、クランク・アームを通してクランク軸に連結し、ピストンの往復運動をクランク軸の回転運動に変換する。蒸気機関は蒸気機関車（SL）として、今日においても世界全体では重要な交通機関である。外燃機関としては蒸気タービンも実用化されている。

［沢田正三］

内燃機関

内燃機関は、機関の内部自身で、ガソリン、石油、重油などの燃料と空気とを混合したガスを燃焼させ、そのとき生じる高圧のガス、いわゆる燃焼ガスの圧力を利用するものである。動力発生の方式からは、次のように分けられる。

(1)ピストン機関　シリンダーの中でピストンが往復運動をする点では、蒸気機関と同じであるが、本体内に燃料の燃焼機構をもっている点が異なる。現在もっとも広く用いられているものはガソリン機関とディーゼル機関である。前者は、ガソリンを使用し、ガソリンを気化させ空気と混合するための気化器と、電気火花による点火装置とを備えている。後者は、重油あるいは軽油を使用し、空気がピストンで圧縮された状態にあるときに燃料が噴射されると、燃料が着火して爆発するもので、気化器や点火装置のかわりに燃料噴射装置を備えている。

(2)ガスタービン　空気圧縮機によって高圧となった空気と燃料噴射弁から噴射された燃料との混合物を連続的に燃焼させ、生じる燃焼ガスによってタービンを回転させるものである。タービンは、ケーシング（外胴）の内側に固定されたノズル羽根と、そのすぐ後ろにあってタービン軸（回転軸）に固定されたタービン羽根とからなる。また、熱効率がよくなるために、熱交換器がつけられている。

(3)ロータリー機関　ケーシングの内部に三角板状のローターが存在する。ケーシングとローターに挟まれた空間で燃料が爆発してローターが回転する。ローターの回転は、その内側に刻まれた歯車とかみ合った歯車をもつ回転軸の回転となる。

(4)ジェット機関　機関内部において燃料が空気中の酸素によって燃焼して生じる燃焼ガスを機関の後ろの口から噴出させ、その反作用として生じる推力（スラスト）で前方に推進するものである。これにはガスタービンを使用するものと、しないものとがある。前者にはターボジェット、ターボプロップ（プロペラを使用するもの）が属する。後者は、高速で飛行する際に生じる高圧の空気による燃料の燃焼を利用するのであって、流入空気に対する自動開閉弁があるパルスジェットと、それがないラムジェットとがある。

(5)ロケット機関　燃焼ガスを噴出させて推力を得る点ではジェット機関と同じであるが、機関内の固体あるいは液体の燃料が同じく機関内にある酸化剤から供給される酸素によって燃焼し、空気をまったく必要としない点が異なる。固体燃料としては過塩素酸カリなど（酸化剤は硝酸カリなど）、液体燃料としてはアルコールなど（酸化剤は液体酸素など）が使用される。ロケット機関の実現によって初めて宇宙飛行が可能になった。

［沢田正三］

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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