はてなキーワード: 熱機関とは
先に言っておくけど、真実を知ると、SF的な面白さなんか何もない、つまらない人にはつまらない話になる。
SF的な「面白い話」を期待している人は、以下を読んでも得られるものは何もないと思う。
これは、算数レベルに単純に説明できる、「エントロピー」の熱力学的意味を説明するだけの文章だ。
ファンタジーな想像力より、正しい意味合いが知りたい理系学生（と賢い子供）向け。
理論的に正しい考え方をするために、まずは熱力学で扱う「熱機関」の原理のポイントを明確にし、これを噛み砕くことで「エントロピーの増大」とは何なのかを小学生でもわかるように説明してみる。
熱機関とは、蒸気機関などの「熱から仕事を生む」機械を抽象的に表現したものだ。
カルノーサイクルで有名なカルノーは、この「熱から仕事を生む」が正確には「温度差から仕事を生む」なんだということを初めて明確にした人。
ここに、50℃のお湯を入れたビーカーがある。
このビーカーから生まれる上昇気流は、『外気温が50℃のとき』と『外気温が0℃のとき』で同じか？
外気温が低い、つまり温度差が大きいときの方がより気流が生まれそうなことは、誰でもわかると思う。
「熱（温度差）から取り出せる仕事」とは、つまりこういうことだ。
熱機関を考えるときは、この『低温熱源』（多くの場合、外気）の影響を常に意識して考えることが大切だ。
熱機関における高温熱源（絶対温度T_H）からの熱移動をQ_H、低温熱源（絶対温度T_C）への熱移動をQ_Cとすると、
Q_C / T_C ≧ Q_H / T_H
という関係があることがわかっている。等号は理想的な熱機関であるカルノーサイクルにおいて成り立ち、一般的にはただの不等号である。
このQ_HとQ_Cには、熱機関における両熱源以外との熱移動がないと仮定すると、エネルギー保存則から
W = Q_H - Q_C
熱機関が効率的でないとき、Wが小さく⇔Q_Cが大きくなる（仕事をせずに熱が捨てられる）ので、最初の式は一般的に左辺が大きくなる。
先に結論から言ってしまうと、「エントロピーは増大する」とは、この「仕事をせずに熱が捨てられる」を言い換えたものに過ぎない。
熱機関におけるエントロピーの定量的な定義（式）を知っている人がどれだけいるだろう。
それはほとんど算数で理解できるほど単純なのに、みんな『曖昧で文学的な説明』ばかり好むから、一般的には驚くほど知られていない。
ΔS = Q_C / T_C - Q_H / T_H
で計算できる。
この式が何を意味するのか？は、まだ考えなくてよい。
そもそも、これを見つけたクラウジウスさんも、それはわかっていなかった。
彼が考えたのはただ、ΔSをこう定義すると、前節の式から、カルノーサイクルにおいてΔS=0、その他の現実的なサイクルにおいてはΔS＞0になる、ということだけだ。
エントロピーSはこのΔSを熱サイクルのたびに足し合わせたものになるわけだが、実はこれには何の意味もない。
よく「エントロピーは増大する」と、何か哲学的な命題のように繰り返される。
熱機関におけるエントロピーの絶対量Sには意味がないので、意味がある数であるΔS、つまりエントロピーの増加分が0より大きいという話をしているだけだ。
理想的な熱機関（カルノーサイクル）においてはΔS=0、つまり「エントロピーは維持される」が、普通は無駄がある。
無駄があるとは、ΔSの式におけるQ_C（仕事をせずに低温熱源に逃げるエネルギー）がカルノーサイクルより多いということなので、一般にΔS＞0。
「理想的な熱機関でなければ、Q_Cが無駄に大きくなる（熱が捨てられる）」ということを言い換えただけのものが「エントロピーは増大する」という言葉だ。
一方で、熱機関におけるエントロピーの増加分ΔSは、各熱源におけるエントロピーの移動Q/Tの差分とも解釈できる。
このQ/Tと計算上等しくなるのが「状態の乱雑さ」という説明で表現される気体の状態量の変化だ。（複雑なので式は省略）
よく、部屋が散らかることを「エントロピーが増大した」などというが、正しくはエントロピーの増大則は「無駄な熱の移動」を意味するものであり、外から持ち込まれたもので部屋が散らかるくらいのことは、「エントロピーが移動した」と表現する方が適切だ。
エントロピーは、エネルギーの増加により分子が取り得る「状態数の多さ」なので、部屋の中のものが散らかっていようと整頓されていようとそれは全て分子の取り得る状態のひとつに過ぎないとも言える。まあ、比喩の意味を云々しても詮無いので深くは追及しないが。
単なる熱の移動は、仕事Wが0の熱機関とも言えるので、当然ΔS＞0であり「エントロピーが増大した」と言えるが、仕事をしても無駄がある限りエントロピーは増大するので、この単純な熱移動だけをもって「エントロピーの増大」の説明とするのは混乱の元だ。
あくまで、エントロピーの増大則は、「無駄な廃熱のない熱機関はできない」ということを意味しているに過ぎない。
「エントロピーの増大則」「状態の乱雑さ」と関連して語られるのが、究極状態としての「宇宙の熱的死」という話だ。
エントロピーの増大により、最終的に宇宙全体の状態の乱雑さがピークを迎え、エネルギーが均一な「熱的死」に至る、というもの。
これも実は単純化され過ぎた理屈で「エントロピー」に対する誤解を生んでいる。
確かに「エントロピーの増大則」は「熱的死」が避け得ないことの科学的な証拠だ。
しかし証明の根拠となることは意味することが同じであることとイコールではない。
エントロピーの増大則は、あくまで「自分自身のエネルギー源となる熱（温度差）をロスなく作り続けられる熱機関と、そのエネルギーをまたロスなく利用できるヒートポンプは存在しない」ということだけを意味している。
仮に増大則に反してこれが可能であったとしても、それが即ち宇宙の熱的死が避け得る根拠にはならない。
エントロピーの増大則は、宇宙の熱的死に繋がる単純な事実（証明に至るほど確実なもの）のひとつであるに過ぎず、他の現実的な理由を上げれば限りがない。
「エントロピーが増大するから熱的死が起こる」は、「いずれ死ぬからずっと健康ではいられない」というくらいの大きな理論限界を意味しているのであって、そのことから「エントロピーの増大則」そのものを理解しようとするのもまた誤解を生む。
以上の要点をまとめると、
となり、SF的な「凄い言葉」としてエントロピーを解釈しようとするほど、エントロピーという単純な概念、熱機関の効率を考えるパラメータとしての数理的な意味の理解から遠のいてしまうことになる。
SFって、科学技術に対する想像力を培うこともあるけど、こういう誤解を増大する負の側面もあるから困りものだね、と理系は思うのでした。
ICEは効率の点ではEVに遥かに及ばないよ。印象だけでは語るとデマになるので、少し計算した方が良い。
原油⇒精製(90%)⇒輸送(98%)⇒エンジン(30-40%)⇒変速機(80-90%)
=20%-35%程度
一番の問題は、熱機関は最良でもカルノーサイクルの壁を超えられないこと。つまり入力と出力の温度差による限界が来るわけ。
エンジンの素材は金属なので、良くても数百度とかにしかできないわけで、予算度外視でどんなに効率をよくしても量産車で60%に至ることはありえない。
エンジンはアルミか鉄なわけで、そこまで高温にできない。それで30-40%止まりと言うわけ。最近50%近いエンジンができたーとか言うニュースもあるが、もう熱力学上、天井は見え始めている。これは物理学なので、どうしようもならない。
(ちなみに、燃焼温度を上げると今度はNOxなどの問題が顕在化してくる。そのため、むしろEGRなどにより温度を下げるのがトレンド。エンジン開発はいろいろなトレードオフなのだ。)
ディーゼルエンジンは効率が比較的高く、CO2の排出もガソリンエンジンよりも少ないとされるが、NOx/PMなどの排出が多い問題がある。NOxについてはマツダが頑張って尿素SCRなしのエンジン作ったけど、結局、PMについては、DPFを用いて微粒子を捕獲している。そのDPFの煤焼き運転必要だったりするので、その分の燃料は無駄になるわけだよね。
で、エンジン車の問題として、トルクバンドが上のほうにあるので、クラッチ、トルクコンバーター等と変速機が必ず必要となる。その際にロスが出てしまう。AT/MT/DCTは段数が少ないとパワーバンドを生かしきれない。段数が多いと重い。CVTは滑るし、CVTフルードは温まるまで粘度が高くてロスになる（ダイハツはCVTサーモコントローラーとかで頑張ってるけど）。
エンジンの熱効率が50%に達したという記事（JSTの「革新的燃焼技術」）で反論する方がいらっしゃるが、そのエンジンは実験室の563cc単気筒エンジンだ。もちろん単気筒なんて自動車では振動などで使い物にならないから、最低でも3気筒からとなる。そうしたときに、気筒が増えて動弁系などのフリクションの発生によって効率は下がるはずなので、そのまま量産車に適用することは難しい。実用車では気筒数増加による動弁系の負荷、オルタネーターなど補機系の負荷などもかかってくることも頭に入れておきたい。
日産が45%のエンジンを開発しているとの記事もあるが、これはe-Powerの「発電専用」エンジンだ。ハイブリッドなので、こういう芸当が可能だ。
45%からは数%上げるだけでも相当血のにじみ出るような開発の労力がいるだろう。
燃焼温度はアルミや鋳鉄の融点よりも遥かに高いと言う指摘があった。その通りです。
しかし、熱力学を説明したかっただけで、例えば入口・出口の温度差を数万度にしたならば、熱効率はかなりのものとなるが、そんなものは物性的に不可能ということを示したかった。
原油⇒火力発電(超臨界発電) 50-60%⇒送電 (95%) ⇒バッテリへ充電(90%)⇒変換(96%)⇒モーター(95%)
=39-45%
PHEV, BEVの場合、上に示したうちで一番効率の悪い「火力発電」の部分を再生エネルギーや水力に転嫁することで、CO2削減を目指せる。もちろん、原発にしてもCO2は減らせる。
なお日本の火力発電所のSOx/NOx排出は海外に比べてもとても少なく、優秀である。
発電所の部分では、現状でも50-60%の効率は稼げる。なぜ熱機関なのにここまで効率が出せるかと言うと、巨大なプラントで高温に耐えるコストの高いタービンを回してるから。
それによって熱機関の効率が高められるから。車のエンジンは小さくてスケールメリットが働かないよね。でも発電所レベルなら巨大で、コストも充分かけられるのでこう言う芸当ができる。
で、電気の輸送に関しては送電線なので一度つなげたらしばらくはCO2を出さない。送電の効率も超高圧送電(100万ボルト以上)によって高まっている。
また、インバーターとかモーターに電気を流す部分はパワーデバイス(GaN等)の発展によってどんどん効率が上がっている。
なお、モーターのトルク特性としてエンジン車のように変速は不要のため、クラッチ・トルコン・変速機などによるロスはない。将来、インホイールモーターが実用化されれば、モーター→タイヤへの伝達効率はさらに上昇する。
ちなみに、xEVは回生充電もできるために、ブレーキ時に運動エネルギーがICEほど熱に変わらない。
（一方ICEはエンジンブレーキを使ったとしてもエネルギーに変えているわけではないので（多少オルタネータの充電制御は入るが）、ブレーキ時には運動エネルギーを熱にしてしまう。せっかく石油を燃やして運動エネルギーを得たのに、そのエネルギーを回収しないで熱に変えるわけ。）
まあxEVが回生できるとはいえ回生時にパワーデバイスとかの充電ロスがあるから、実はコースティング（回生も何もしない）で空走した方が距離を稼げる。なので、前の信号が赤にかわったとき、EVに関していえば、ブレーキも何も踏まないで空走状態を維持し、空気抵抗だけで0kmにするのが一番効率が高い。まあ、そんなことしていたらノロノロすぎてウザがられるので、妥協点として回生ブレーキを使ってちょっとはロスするけど、エネルギーを回収しながら止まるってことだね。
（ICEだと、エンジンブレーキを積極的に使って、ブレーキを踏まない運転を心がければ良い。やってはいけないのは、Nに入れて空走すること。Nに入れるとエンジンはアイドリングを維持するために燃料を消費する。ギアを入れたままエンジンブレーキをかけると、その間は燃料噴射をやめても回転が維持できるので、エンジンは燃料噴射をやめて、実質消費はゼロとなる。）
バッテリーの製造時の負荷は確かに高い。しかし、製造には電気を使っているので、電力構成によりCO2の排出は変わる。つまりグリーンなエネルギーを使えば問題なくCO2を減らせると言うこと。
なお id:poko_pen がマツダのWell-to-Wheel理論を持ち出しているが、あれば古い時代のバッテリー製造時のCO2データを使っていて、CO2排出を過大評価している。最近のテスラのLi-ion電池工場では、再エネを利用して製造しているのでCO2は少なくできる。こうした、製造時のCO2排出の問題は工場や電源構成をアップデートしていけば減らせる問題だ。
（マツダはBEVよりもICE派で、SPCCI（圧縮着火）とかで頑張ってるから、バイアスがかかってるのは仕方ないと思うね。私は内燃機関とデザイン周りで頑張るマツダは大好きだけど、SKYACTIV-Xが思ったよりも微妙だったから株売っちゃったわ。）
Li-ion電池に10%含まれるリチウムは、採掘時に水を大量に使ったりする問題はある。ただ、これは「製造時」に限った話であり、内燃機関を使うたび、原油のために油田をあちこち掘り返したり、オイルタンカーが座礁して原油を撒き散らしたりするのに比べれば遥かにマシというものだろう。
xEVには必要となる貴金属類には依然として供給リスクとか採掘時の「児童労働」とかの問題を孕んでいる。ここら辺は全世界的に解決するしかなさそう。需要が増えれば、世界の目がこう言う問題に向くはずなので、我々技術者はそれを期待するしかない。
例えば沖縄は石炭火力の比率が高いため、EVの効率を持ってしてもCO2の排出がHVとかより高くなる。しかし、それ以外の都道府県ではICEよりBEVの方がCO2が低い。原発が動いていない現時点でもね。
PHEVはもちろんICEより遥かにCO2を出さないが、BEVには勝てない。ただ、電力構成によっては逆転もありうるが、ほとんどの都道府県ではBEVの方がCO2を出さない。
(追記: anond:20200211034316 に FCEV vs BEV の効率比較を書いた)
燃料電池車に関していえば、無用の長物と言える。水素を製造する場合にも電力が必要だが、まあこれを再エネで行ったとしても、水素の輸送とタンクに注入する際の水素の圧縮時のロスは非常に大きい。その圧縮の際に再エネを使ったとしても、結局そのエネルギーでBEVを充電した方が効率がいいのだ。
そもそもBEVならば、送電線さえあればいいわけで、わざわざ水素のように輸送する必要がない。
また燃料電池は化学反応なので、アクセルレスポンスが遅いと言う欠点があり、反応のラグを補うために燃料電池車には結局バッテリーが積まれている。
ただ、航続距離は長いために、俺は現代におけるタクシーとかのLPG車みたいに細々と残るとは思う。航続距離が重要なトラックやバス、タクシーなどには燃料電池が使われるかもしれない。
効率以外にも、めんどくさい高圧タンクの法定点検とか、割と問題は多い。水素ステーションは可燃性の水素を貯蔵するわけだから、EVの充電スタンドよりも法的なめんどくささがあるのも確か。
これは燃料電池車より論外。カルノーサイクルに縛られてしまうので、電気分解よりも効率が悪くなる。水素の使い方としては燃料電池よりも悪い。
再エネは不安定と言われる。確かに自然相手なので、予測も難しい。しかし将来的にEVが普及すれば、EVをバッファとして利用することで、不安定さを吸収しグリッドを安定させられる。
これは再エネを導入する動機にもなる。職場に着いたらEVにCHAdeMOを挿しておいて、電力の需給バランスに応じて充電開始、とかが普通になるかもね。
BEVは寒さに弱い。リチウムイオン電池の特性上、寒くなると容量が可逆的ではあるが減る。そのためテスラにはバッテリーヒーターが搭載されている。（ちなみに、寒いノルウェーでもテスラが爆売れしているし、なんと新車の半分くらいの売り上げがBEVという。もはや寒さは問題ではないのかも？（まぁ優遇政策があるからだけどね））
FCEVも寒いと反応が弱まって出力が減るので、そこらへんは考慮されている。
一方ICEも、冬になると燃費が悪化するとされる。US DoEによると、理由は、オイルの粘度低下、温度上昇までの暖機、ガソリンの配合が夏と違う（日本でも同じかは謎）など。他には空気密度によるエアロダイナミクスの悪化とかがあるがこれはEVでも同じだ。オイルなどが原因となって燃費が悪化するのはICE特有だろう。
BEVはまた暑さにも弱い。Li-ionは熱によって不可逆的なダメージを受けて、寿命が縮む。そのためテスラにはエアコンを利用する水冷バッテリークーラーが搭載されている。リーフは空冷で、これが問題だったのか、劣化の問題でざわついていたリーフオーナーも多かった。今は改善されているらしい。
URLを多く貼るとスパム認定されるから貼れないけど、US DoEとかCARB、日本だと日本自動車研究所あたりの公開資料を見ればソースに当たれる。
一つだけ、EV vs ICEの効率について、13分程度で詳説してある動画のURLを貼っておく。英語で字幕もないが、割と平易なので、見てみてほしい。論文ソースは動画の中でよく書かれている。
「製造時の負荷」「化石燃料の発電でEVを使うのは利点あるのか？」「リチウム採掘の負荷」の3つで説明されている。簡単に箇条書きにすると：
https://www.youtube.com/watch?v=6RhtiPefVzM
前述のようにマツダはEVと自社のICEについて、Well-to-Wheelでライフサイクルアセスメントで比較している。その比較におけるLi-ion製造時のCO2排出量のデータだが、2010年〜2013年のデータとなっており古い。しかも、Li-ion製造時のCO2の排出量は研究によってばらつきが大きく、いろいろな見方があり正確性があまりないのが現状。また現状を反映していないと考えられる。例えばテスラ「ギガファクトリー」のように太陽電池をのせた自社工場の場合などについては考慮されていないのが問題だ（写真を見ると良い、広大な敷地がほとんど太陽光で埋まっている）。
また、マツダの研究はバッテリー寿命を短く見積りすぎている点で、EVのライフサイクルコストが大きく見える原因となっている。テスラのようにバッテリーマネジメントシステム（BMS）がしっかりとしたEVは寿命が長く、またLi-ionの発展によって将来は寿命を伸ばすことは可能だろう。事実、今まで電極や電解質の改善によってサイクル寿命は伸びてきた。
テスラは現時点で最も売れているわけだし、このことを考慮しないのは少々ズルいと言える。
"Why Hydrogen Engines Are A Bad Idea" でYouTube検索したらわかりやすいが、噛み砕くと
あと補足すると「エンジン」は爆発によるエネルギーを使っているが、全てを使い切れていないこと。十分に長いシリンダーを使って、大気圧まで膨張させるならエネルギーをかなり取り出せるが、そんなものは実用上存在できないので、爆発の「圧力」を内包したまま、排気バルブを開けることになる。この圧力をターボチャージャーで利用することも可能ではあるが、全て使い切れるわけではない。
あーでも、水素エンジンのメリットが1つあった。燃料電池(PEFC)は白金を必要とするため Permalink | 記事への反応(16) | 01:34