熱機関とエントロピー収支

熱機関のエントロピー収支を分かりやすく図にすることを試みる。下の図のようになる。

エントロピーQ₁/T₁のエネルギーQ₁が高温熱源から流出し、エントロピーQ₂/T₂のエネルギーQ₂が低温熱源に流入する。その過程で熱機関は Wの仕事をする。また過程でQ₂/T₂-Q₁/T₁のエントロピーが発生したことが分かる。

「エントロピーQ/Tが移動した」というより「エントロピーQ/TのエネルギーQが移動した」と表現する方が理解しやすいと思われる。

熱機関の性能を競うことは、発生するエントロピーQ₂/T₂-Q₁/T₁をいかに小さくするかにある。発生エントロピー0の場合が最も性能のよい（熱効率のよい）熱機関だということになる。熱機関は、仕事をさせる際にいかにエントロピー発生を低くするか、をテーマにしていると言える。

最大の熱効率は

( W/Q₁)max=1-T₂/T₁

である。このとき、発生エントロピーQ₂/T₂-Q₁/T₁が0であることが分かる。

熱機関を逆回転して低温熱源から高温熱源へ熱を運ぶことができる。それをヒートポンプという。要するにエアコンだ。

熱機関を逆回転し、仕事 Wを加えると、エントロピーQ₁/T₁のエネルギーQ₁が低温熱源から流出し、エントロピーQ₂/T₂のエネルギーQ₂が高温熱源に流入する。過程でQ₂/T₂-Q₁/T₁のエントロピーが発生したことが分かる。

熱機関にせよ、ヒートポンプにせよ、エネルギーを追加することだけがメインテーマではなく、必死で発生するエントロピーの値を下げようとしている。

ちなみに、ストーブはエントロピーの収支などは眼中になく、ひたすら熱とエントロピーを環境に捨てている。故に逆回転して冷房に用いるということもできない。