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車のエンジンからイメージする熱効率の求め方【イメージ重視の物理基礎】

  • まずはザックリ理解したい
  • イメージを優先したい
  • 苦手を克服したい

このような方向けに解説をしていきます。

【今回わかること】

  • 熱効率の公式
  • エンジンで公式をイメージする方法

熱効率の公式は日本語で覚える

熱効率は、efficiency(効率)の頭文字をとって \(e\) で表します。

仕事 \(W\) 熱量 \(Q\) を用いて上のように表せる。

文字で覚えるのも良いですが、日本語で覚えておくのがおすすめです

まこと
なぜこのような形になるのか考えてみよう!

 

熱をどれだけ仕事に使うかが重要

熱をどれだけ効率よく使えるかは、吸収した熱に対して、どれだけ仕事をしたかで計ります。

  • 気体が熱をもらって、すべての熱を仕事に変換できたら、効率は100%
  • 気体が熱をもらって、仕事に全く変換できなければ、効率は0%

 

この効率の計り方は、やる気マンマンの人がどれだけ仕事に打ち込むかに似ています。

湧き出てくるやる気を、すべて仕事に使えば、効率よく仕事ができます。

逆にやる気を仕事以外のものに使ってしまえば、仕事は全然進みません。

 

熱効率を求めるうえで大切なのは次のことです。

入ってきた熱をどれくらいの割合で仕事に変えれたかを測る
まこと
熱効率100%にするのは不可能と証明されている!

 

ガソリンエンジンのイメージで一発解決!

熱効率を求めるうえで必要なのは、吸収した熱量」「仕事であって、放出した熱は使いません

 

なぜ放出した熱は使わないのか、車を動かすために必要なエンジンを例に考えてみましょう。

エンジンの仕組みをカンタンに図で表すと、下図のようになります。

 

ここで具体的な数値を使って、エンジンの効率を直感で求めてみましょう。

答えはこちらをクリック
吸収した熱100のうち60だけタイヤを回す仕事に使ったので、エンジンの効率は0.6(60%)。

 

エンジンの効率を数値で表すときに、放出してムダになった熱は使いませんでしたよね?

ちなみにムダな熱のせいで、エンジン自体が熱くなってしまいます。

吸収した熱をどれだけ仕事に変換できるかが熱効率です。

問題を解くときは、「この熱は吸収したもの?放出したもの?」と見極めるのが大切になります。

 

また、基本的には%ではなく小数で表すことが多いです。

×100をするべきかは質問のされ方をチェックして決めましょう。

%で表す小数で表す
×100をする×100はしない
まこと
熱効率は「タイヤを回す仕事÷吸収した熱量」

 

まとめ

  • 熱効率とは、吸収した熱をどれだけ仕事に使えるか
  • \(e=\frac{W}{Q}\)
  • エンジンでイメージすると式を作りやすい

 

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