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理想気体理想気体：分子間力がなく、分子の大きさをもたない　　仮定をおいた気体理想気体の状態方程式時間変化圧力体積質量気体定数温度

熱容量物体の温度を１℃（K）上げるのに必要なエネルギー例：100kgの水を20℃から90℃まで上げるためのエネルギー熱容量[J/K] 質量[kg] 比熱[J/kgK] 比熱c の例水：4.19 kJ/kgK
鉄：0.43 kJ/kgK

比熱物質1 kg 当たりの温度を 1 K上げるのに必要な熱量比熱の計算 c：比熱[J/(kgK)] Q：加えた熱量（J） m：質量（kg）
ΔT：温度変化（K）定圧比熱：比熱比：定容比熱気体定数 [J/(kgK)] 熱機関の効率に頻出

定圧比熱と定積比熱定圧比熱：圧力一定で温度変化させるのに必要な熱量 C p ：加熱エネルギー　⇒　温度上昇＋膨張定積比熱：体積一定で温度変化させるのに必要な熱量 C v ：加熱エネルギー　⇒　温度上昇 ★膨張分のエネルギーだけ、定圧比熱のほうが大きい
気体定数：膨張する仕事分のエネルギー気体は膨張で体積が大きく変わる ⇒ C p と C v が異なる理想気体の状態方程式エンタルピの変化量内部エネルギーの変化量

内部エネルギーとエンタルピ内部エネルギー気体分子の運動エネルギーや振動エネルギーの合計エンタルピエンタルピ＝内部エネルギー＋体積仕事温度変化で体積が変わる
ため、エンタルピのほうが便利 c v ：等圧比熱[J/(kgK)] m：質量（kg） ΔT：温度変化（K） c p ：等圧比熱[J/(kgK)]

エントロピーエネルギーの拡散量を示す量エントロピー増加ΔS[J/K]　はゼロ以上となる Q rev ：可逆熱量[J] T：温度[K]

比熱の性質比熱の計算比熱比：定圧比熱定積比熱比内部エネルギー：比エンタルピ：比エントロピー：

状態変化まとめ

等圧変化圧力が一定（ dP=0）仕事[W]： P：圧力[Pa] V：体積[m³] n：モル数[mol] R：気体定数[J/(mol K] T：絶対温度[K]

等積変化体積が一定（ dv=0）仕事[W]： P：圧力[Pa] V：体積[m³] n：モル数[mol] R：気体定数[J/(mol K] T：絶対温度[K]

等温変化温度が一定（dT=0）なので、名部エネルギーUは変化しない仕事[W]： P：圧力[Pa] V：体積[m³] n：モル数[mol] R：気体定数[J/(mol K] T：絶対温度[K]

断熱変化熱の出入りがない（ dQ=0）エネルギー変化は全て気体自身の内部エネルギーであり、エネルギー保存則より導かれる仕事[W]： P：圧力[Pa] V：体積[m³] n：モル数[mol] R：気体定数[J/(mol
K] T：絶対温度[K] γ：比熱比

状態変化まとめ

熱機関とヒートポンプ熱源A 熱機関熱源B W Q1 Q2 熱源A ヒートポンプ
熱源B W Q1 Q2 熱→仕事サイクル　熱効率：仕事→熱サイクル　熱効率：熱機関ヒートポンプ

pV線図と等温変化 p V 等温変化状態方程式状態方程式＠等温変化温度Tを一定とする等積変化等圧変化

pV線図と仕事 p V p V p V PV線図のサイクル内面積で仕事がわかる周りにした仕事
周りにされた仕事サイクルの仕事 p V

熱効率 η= 赤面積/青面積 TS線図と熱効率 T S 熱機関の熱効率はTS線図から導ける T S TS線図が四角になるので、
カルノーサイクルは最も熱効率が良い =ΔQ

熱機関熱エネルギーを機械的な仕事に変換する装置・高温熱源（燃焼等）・作動流体（空気・蒸気等）・低温熱源（大気・冷却水等）

カルノーサイクル熱機関の中で最も効率の良いサイクル（これ以上はない）高温/低温熱源の移動により、動力を生む１．断熱圧縮２．等温膨張３．断熱膨張４．等温圧縮 ※温度上昇 ※温度低下

カルノーサイクルのPV線図熱機関の中で最も効率の良いサイクル（これ以上はない）高温/低温熱源の移動により、動力を生む体積圧力熱効率熱熱 ※取り出す仕事が大きいほど、効率が上がる
1. 断熱圧縮 2. 等温膨張 3. 断熱膨張 4. 等温圧縮 W

カルノーサイクル熱機関の中で最も効率の良いサイクル（これ以上はない）高温/低温熱源の移動により、動力を生むエントロピ温度熱効率熱熱 ※温度差が大きいほど、効率が上がる
（T L =0でないと、効率が 1にはならない） 1. 断熱圧縮 2. 等温膨張 3. 断熱膨張 4. 等温圧縮

熱機関熱エネルギーを機械的な仕事に変換する装置・高温熱源（燃焼等）・作動流体（空気・蒸気等）・低温熱源（大気・冷却水等）ガス機関（作動流体が気体）蒸気機関（作動流体が相変化）内燃機関（燃焼が機関内）ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスタービン
外燃機関（燃焼が機関外）蒸気機関、火力発電軽量・小型・高出力高速反応定常運転大出力

外燃機関と内燃機関外燃機関：燃焼と作動流体が別〇燃料を問わない〇発電所などのプラントで利用 × 熱効率が悪い（20％以下）内燃機関：作動流体を燃焼する △ 化石燃料を使う〇
構成が小さくて済む〇熱効率がいい（60%以上等）外燃機関ガスタービンガソリンエンジン ※現在、プラントでは外燃＋内燃が主流

ガスサイクル動作流体が常に気体である熱機関例特徴オットーサイクル火花点火式エンジン（ガソリンエンジン）・スパークプラグで点火・燃焼は体積一定ディーゼルサイクル自己着火式エンジン（ディーゼルエンジ
ン）・高圧・高温の空気で自己着火・圧力一定で燃焼サバデサイクル上記２種の中間であり、現実のディーゼルエンジンに近い・燃焼が一部体積一定/圧力一定・現実的な燃焼を模倣ブレイトンサイクルガスタービン（内燃機関）・作動流体が連続的に流れる・加熱と冷却は圧力一定エリクソンサイクル理想的な外燃機関・理想的（カルノーサイクル同等）スターリングサイクル外部熱源を利用する熱機関・理想的（カルノーサイクル同等）・熱交換器を使う

蒸気サイクル動作流体の相が変化する熱機関例特徴ランキンサイクル蒸気タービン、火力発電・蒸気と水に相変化する・外燃機関

主要な熱機関サイクル

オットーサイクルガソリンエンジンの理論サイクルガソリンエンジン

オットーサイクルガソリンエンジンの理論サイクル 1.ガスの圧縮 ⇒ 2.燃焼 ⇒ 3.膨張 ⇒ 4.排気ガソリンエンジン
等容加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮 ) 等容放熱（排気） q h q l q l q h 等容加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮等容放熱（排気）エントロピー体積圧力温度

オットーサイクル熱効率の計算のため、全ての行程をT 1 で揃える等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮)
等圧放熱（排気） q h q l 体積圧力

オットーサイクルオットーサイクルの熱効率全ての温度Tを代入等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮) 等圧放熱
（排気） q h q l 体積圧力

オットーサイクル等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮) 等圧放熱（排気） q
h q l 体積圧力オットーサイクルの熱効率熱効率を上げるためには、圧縮比を上げる（圧力を上げる）比熱比が高い燃料を使う（オクタン価を上げる）

ディーゼルサイクルディーゼルエンジンの理論サイクルディーゼルエンジン

ディーゼルサイクルディーゼルエンジンの理論サイクル圧縮により着火するため、等圧加熱である（ガソリン：等容）等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮
) 等容放熱（排気） q h q l q l q h 等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮等容放熱（排気）エントロピー体積圧力温度

ディーゼルサイクルディーゼルサイクルの熱効率等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮 ) 等容放熱
（排気） q h q l 体積圧力オットーサイクルの熱効率

ディーゼルサイクルディーゼルサイクルの熱効率等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮 ) 等容放熱
（排気） q h q l 体積圧力

ブレイトンサイクルガスタービン機関の理論サイクルガスタービン機関

ブレイトンサイクルガスタービン機関の理論サイクル 1.圧縮機 ⇒ 2.燃焼 ⇒ 3.タービン ⇒ 4.排気/吸気ガスタービン機関
等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮 ) 等圧放熱（排気） q h q l q l q h 等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮 ) 等圧放熱（排気）エントロピー体積圧力温度

ブレイトンサイクルガスタービン機関の理論サイクル等圧加熱（燃焼）断熱膨張（動力変換）断熱圧縮 (空気を圧縮) 等圧放熱（排気）
q h q l 体積圧力圧力比を上げると効率も上がる

ランキンサイクル蒸気タービンにより膨張した蒸気から仕事を取り出す熱サイクル（例：火力発電、原子力発電など）

ランキンサイクルの工程 ①ポンプ⇒②ボイラ⇒③タービン⇒④凝縮器　圧縮　　　加熱　　　膨張　　　　冷却ポンプ(圧縮) 飽和水を取り出し、ボイラ圧力まで加圧して給水するボイラ（加熱）タービン（膨張）過熱された蒸気により、蒸気タービンが回って発電する
凝集器（冷却）蒸気を冷却して飽和水にする燃料のエネルギー電気電気廃熱

ランキンサイクルの熱効率比エンタルピにより熱効率を評価できるランキンサイクル h:比エンタルピー１．タービン入口エンタルピを上げる　　（温度 /圧力を上げる）２．タービン出口エンタルピを下げる熱効率 ⇐※十分小さい

ランキンサイクル蒸気により電気を発生させる熱サイクル（例：火力発電、原子力発電など）エントロピー温度 q l q h 乾き飽和
蒸気線飽和液線湿り蒸気飽和液過熱蒸気

ランキンサイクルの工程 ①ポンプ⇒②ボイラ⇒③タービン⇒④凝縮器　圧縮　　　加熱　　　膨張　　　　冷却ポンプ(圧縮) 飽和水を取り出し、ボイラ圧力まで加圧して給水するボイラ（加熱）タービン（膨張）過熱された蒸気により、蒸気タービンが回って発電する
凝集器（冷却）蒸気を冷却して飽和水にする燃料のエネルギー電気電気廃熱

ランキンサイクル蒸気により電気を発生させる熱サイクル（例：火力発電、原子力発電など）エントロピー温度 q l q h 乾き飽和
蒸気線飽和液線

再熱ランキンサイクルの工程タービンを高圧と低圧に分けることで、高圧時に膨張により湿りやすくなった空気を乾燥させて、タービン損傷を防ぐポンプ(圧縮) 飽和水を取り出し、ボイラ圧力まで加圧して給水するボイラ（加熱）タービン（膨張）過熱された蒸気により、
蒸気タービンが回って発電する凝集器（冷却）蒸気を冷却して飽和水にする燃料のエネルギー電気電気廃熱

再熱ランキンサイクルタービンを高圧と低圧に分けることで、高圧時に膨張により湿りやすくなった空気を乾燥させて、タービン損傷を防ぐエントロピー温度 q l q h
乾き飽和蒸気線飽和液線

再生ランキンサイクルの工程蒸気タービンから一部蒸気を取り出して給水を加熱し、ボイラーの熱負荷を減らすことで熱効率を上げるポンプ(圧縮) 飽和水を取り出し、ボイラ圧力まで加圧して給水するボイラ（加熱）タービン（膨張）
過熱された蒸気により、蒸気タービンが回って発電する凝集器（冷却）蒸気を冷却して飽和水にする燃料のエネルギー電気電気廃熱

再熱ランキンサイクルタービンを高圧と低圧に分けることで、高圧時に膨張により湿りやすくなった空気を乾燥させて、タービン損傷を防ぐエントロピー温度 q l q h
乾き飽和蒸気線飽和液線

まとめ

熱機関とヒートポンプと冷凍サイクル

熱機関とヒートポンプ熱源A 熱機関熱源B W Q1 Q2 熱源A ヒートポンプ
熱源B W Q1 Q2 熱→仕事サイクル　熱効率：仕事→熱サイクル　熱効率：熱機関ヒートポンプ

ヒートポンプ低温部分から高温部分へ熱を移動させる技術高いエネルギー効率（電気ヒーターの 3~6倍）を得られるエアコン等で使われる 1:凝縮器熱を奪われる 2:膨張弁：減圧されて気体に戻る 3:蒸発器熱を奪う
4:圧縮機：圧力を上げるので、高温化する

ヒートポンプ逆カルノーサイクルとなる（低温から高温へ熱を移動させるサイクル）体積圧力熱熱成績係数（エネルギー効率） ※通常１を超える　（外部のエネルギーも使えるため）

成績係数COPと熱効率η ※ヒートポンプは「熱を生み出す」のではなく「移動させる」ことで、　エネルギー効率を1以上にできる点が特徴

冷凍サイクルの工程蒸発で熱を奪う現象により、冷却を行うサイクル逆ランキンサイクルとも呼ばれる

冷凍サイクルの状態変化蒸発により吸熱し、凝集により放熱する

冷凍サイクルのP-h線図と成績係数COP 蒸発で熱を奪う現象により、冷却を行うサイクル逆ランキンサイクルとも呼ばれるエンタルピ圧力蒸発圧縮圧縮
膨張凝集蒸発成績係数(2~6程度)

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