『船を動かす力!さまざまなエンジンの種類と特徴』の記事で、ディーゼルエンジンやガスタービンに”圧縮して高温・高圧となった空気”を使用すると記載しました。ところで、どうして空気を圧縮すると温度が上がるのでしょうか。熱力学第一法則と合わせて見てみましょう。

熱力学第一法則

ΔU(物体の内部エネルギーの変化)=Q(物体に与えられた熱量)+W(物体がされた仕事)

今は空気(気体)の圧縮のお話なので、”物体”の部分は”気体”になります。
ΔU(気体の内部エネルギーの変化)=Q(気体に与えられた熱量)+W(気体がされた仕事)

気体に外から熱を加えない断熱状態(Q=0)において、
気体を圧縮する(=気体が外から仕事をされる)と、W>0(正)より、ΔU>0(正)

つまり、気体の内部エネルギーが増加することがわかります。

内部エネルギーとは?

内部エネルギーというのは、物体内部の分子の運動エネルギー分子間力によるポテンシャルエネルギー(位置エネルギー)で構成されています。理想気体(気体の理論モデル)で考えるとき、2つ目のポテンシャルエネルギーは無視できるほど小さいと仮定するので、1つ目の物体内部の分子の運動エネルギーのみを考えます。

したがって、
気体の内部エネルギーが増加する=気体の分子の運動エネルギーが増加する ということになります。

ここで、分子の平均運動エネルギーは絶対温度と比例することが分かっているので、運動エネルギーが増加すれば温度が高くなります。※絶対零度(=-273.15度=0K)は分子運動が完全に止まる温度です

まとめ

以上、

空気を圧縮すると、熱力学第一法則より気体の内部エネルギーが増加し(分子の動きが激しくなり)、温度が上がる

でした。

イメージ↓

このように圧縮して高温・高圧となった空気に燃料を噴射すると、点火プラグが無くとも自己着火させることができ、その大きな爆発のエネルギーが船のプロペラを回しています。(ディーゼルエンジンの場合)

参考:
『第5章 熱と熱力学の法則』(北海道大学)←ネット上で見つけた資料ですが、熱に対するイメージや理解を深めるのに大変役に立ちますし、読み物としても面白いです
『ディーゼルエンジンの仕組み』(グーネットピット)←ディーゼルエンジンの詳細について

Share this:

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。