熱物理学
熱機関・効率・カルノーサイクル
高温熱源 Th と低温熱源 Tc の間で働く熱機関の理想効率を調べます。ηCarnot、最大仕事 Wmax、放出熱 Qc を読み、 と を確かめます。
⚠ 高温の蒸気・加熱気体や耐圧容器を扱う実験では保護具を着用し、加圧中に容器を開けず、高温熱源から安全な距離を保ってください。
器具
- p–V 平面上の閉サイクルと熱機関の熱流図を描くキャンバス
- スライダー「高温熱源 Th」（350–900 K）
- スライダー「低温熱源 Tc」（180–340 K）
- スライダー「吸収熱 Qh」（100–1000 J）
- 読み出し「ηCarnot = …; Wmax = ηQh = …; Qc = Qh − W = …」
手順
高温側温度に対する効率を測る
「低温熱源 Tc」を 300 K に保ち、「高温熱源 Th」を 350 から 900 K まで上げ、各段で「ηCarnot」を記録します。各組について を計算して読み値と比較し、効率が 100 % に近づくが決して達しないことを確認します。
低温熱源と吸収熱を変える
Th = 600 K のまま「低温熱源 Tc」を 180 から 340 K へ動かすと、両熱源の温度が近づくにつれ効率が下がります。次に Th と Tc を固定して「吸収熱 Qh」を変え、η が変わらず「Wmax = ηQh」と「Qc = Qh − W」だけが Qh に比例することを確かめます。 は温度のみに依存し、サイクルの規模には依存しないことを示します。
p–V 図上のサイクルを読み取る
キャンバス上の塗られた閉曲線を見ます。「chiều chu trình」（サイクルの向き）の矢印は順回り（時計回り）の動作を示し、内部の面積は正味の仕事 W に比例します。図をドラッグして視点を変えられます。読み出しの Wmax を面積の意味と照らし、順回りサイクルでは が正になることを確認します。
第二法則の限界
Tc を Th に近づけると効率は 0 に向かいます。二つの熱源が同じ温度では仕事を取り出せません。逆に Th = 900 K、Tc = 180 K（スライダー上限）にしても η ≈ 80 % で 100 % 未満です。η → 1 には Tc → 0 K が必要で、これは達成不可能——まさに熱力学第二法則の限界です。