エアコンのモデリング（その1） 〜エアコンの作動原理を理解する〜：1Dモデリングの勘所（20）（4/5 ページ）

[大富浩一／日本機械学会 設計研究会，MONOist]

カルノーサイクル

　1824年にカルノーが、現在「カルノー機関」として知られている理論的な熱機関を提唱した。図5にカルノー機関の熱サイクルを示す。

図5　カルノー機関［クリックで拡大］

　カルノー機関の熱サイクルは以下の4段階からなる。ピストンの位置（A、B、C、D）の移動方向ごとに説明する。

1. ［A→B］：温度T_highにおける等温膨張解である。気体は温度T_highの熱源に接触しており、シリンダ底部から熱エネルギーQ_highを吸収し、ピストンが上に移動する際に仕事W_ABを行う
2. ［B→C］：シリンダ底面は断熱壁で気体は断熱膨張する。この過程で温度はT_highからT_lowに下がり、気体はピストンが上がる際に仕事W_BCを行う
3. ［C→D］：気体は温度T_lowの熱源に接触しており、温度T_lowで等温圧縮される。このとき、気体は熱源にQ_lowを放出し、ピストンは気体に対して仕事W_CDを行う
4. ［D→A］：シリンダ底面は断熱壁で気体は断熱圧縮される。この過程で温度はT_lowからT_highに上がり、ピストンは気体に対して仕事W_DAを行う

　カルノーが示したことは、2つの熱源の間で理想的な可逆サイクルで動く熱機関は、原理的に最高の効率を有するということで、このサイクルを「カルノーサイクル」（図6左図）という。この理想的熱機関が、全ての熱機関の効率の上限を与える。カルノーサイクルを逆に回すと「逆カルノーサイクル」（図6右図）となる。カルノーサイクルと逆カルノーサイクルは、熱機関とヒートポンプに相当する。

図6　カルノーサイクルと逆カルノーサイクル［クリックで拡大］