「冷やすより温めるほうが簡単」は本当か？…意外と知らない、冷蔵庫が冷えるしくみ

物理に挫折したあなたに――。

読み物形式で、納得！感動！興奮！あきらめるのはまだ早い。

大好評につき5刷となった『学び直し高校物理』では、高校物理の教科書に登場するお馴染みのテーマを題材に、物理法則が導き出された「理由」を考えていきます。

本記事では熱力学編から、冷却についてくわしくみていきます。

※本記事は田口善弘『学び直し高校物理　挫折者のための超入門』から抜粋・編集したものです。

熱力学第二法則は低温熱源から高温熱源への熱の移動が絶対にできないことになっているが、それはあくまで自発的な場合に限られる。外部から仕事をする場合はまったく別である。

普通の熱機関は、高温熱源から熱1を受け取り、低温熱源に熱2を吐き出すことで、

熱1-熱2=仕事

の大きさの仕事をする動力機関である。

もし上の図(右側)のように、外部から仕事をすることで、このプロセスを逆転させて、低温熱源から熱2を受け取り、高温熱源に熱1を移動させることができれば、低温熱源の温度をさらに下げることができる。式にすると下記のようになる。

熱2+仕事=熱1

このように、熱機関は、外部から仕事をすることで、「低温熱源から熱を汲み出して高温熱源に捨てる」という本来なら不可能な作用を実現する機械(=冷却器)に簡単に変更できる。これはモーターを逆回しすると、発電機になるのと非常に似ている。

熱機関の効率は、入力した熱1のどれくらいを仕事に変えられたかという、

熱効率=仕事/熱1

という式で与えられる。これは、

仕事=熱1-熱2

を使うと下記のような式になる。

熱効率=(熱1-熱2)/熱1=1-(熱2/熱1)

仕事=熱1-熱2>0である以上、熱1>熱2なのでこの値は0と1の間の値になり、熱機関は加えられた熱1以上の仕事をすることができない、ということがわかる。

次に冷却器の熱効率を考えてみよう。冷却器の性能は、外部から加えた仕事でどれくらいの熱2を低温熱源から汲み出せるかが熱効率になるので、

熱効率=熱2/仕事

が性能の評価になる。外部からいくらでも仕事を加えられるので、この値に熱機関の熱効率のような上限はいっさいなく、冷却器は仕事当たりの汲み出し熱の量である熱2をいくらでも大きくできる。つまり、仕事をすればするだけ、大量の熱を汲み出すことが可能なのである。

一般にものを温めるほうが冷やすより簡単なイメージがあるが、実際には逆である。なぜそのような誤解が生じるかというと、「燃焼」という発熱反応は簡単に起こせるが、同じくらい簡単に起こせる吸熱反応がないからである。実は熱力学的には冷却のほうが容易である。

冷却器では、高温熱源側では気体を圧縮することで高温熱源以上の高温にして熱1を高温熱源に捨てる、低温熱源側では気体を膨張させることで低温熱源以下の低温にして熱2を取り込む。気体の膨張と圧縮に仕事が必要だが、熱1や熱2の大きさや大小関係に制限はなく、いくらでも高性能の冷却器が作れる。

*

さらに【つづき】〈なぜ「冷却」は難しく、「加熱」は簡単なのか？…エアコンの冷房機能を例に考える「冷やす」しくみ〉では、どうすれば冷やすことができるのか、くわしくみていく。