蒸気機関の原理について教えて頂きたいことがあります。

質問

蒸気機関の原理について教えて頂きたいことがあります。

http://www.comb.kokushikan.ac.jp/klab/OW/therm/steam-engine1.html
に動画つきで原理が説明されているのですが、ヒーターで温められた空気はどうして逆流しないのでしょうか。
ポンプがあるからでしょうか？ だとしたらポンプがシリンダーを動かすエネルギーのすべてを担っていることになってしまうように思います。
どなたか教えて頂けたらと思います。

回答No.4

semikuma · ベストアンサー

No.1です。質問から随分時間が経ったのでもうお分かりかもしれませんが、一応書いておきます。

ボイラーで発生した水蒸気がなぜ一方向（シリンダ方向）にだけ向かうのかは、簡単な話で、ボイラーが液体の水で満たされており、給水側の配管が水で塞がれているから、です。
加えて、水からは盛んに水蒸気が発生しているので、逆流のしようがありません。
ガソリンエンジンのように、ボイラー内に間欠的に水を注入しているわけではないし、注入された水が全て瞬間的に気化しているわけでもありません。

では、なぜボイラー内の水が給水側に押し戻されないかは、次のように説明できます。
ボイラー内の水蒸気圧力は、昔のSLで15気圧程度、質問者の示された図で20気圧程度と書かれています。
1気圧は大体1kg/cm2なので、ボイラーの給水側の配管の断面積を30cm2(半径3.09cm)とすると、パスカルの定理により、配管内の水を押し戻す力は600kgfとなります。(ボイラー内の水の重量は無視)
従って、ポンプでそれ以上の力で水を押してやれば、水が押し戻されることもありません。

これがどのくらいの力かというと、水1Lの重さは1kgなので、例えば1m四方のタンクがあったとして、深さ60cmの水の重量に相当します。

お礼

ご回答ありがとうございます。

以前に回答を頂きましたが今ひとつ理解出来ていませんでした。

今日になってやっと分かりました。

今の理解は以下のとおりです。

ポンプが無く、水が素通り出来るような状態になっていたらパスカルの原理により（例えある部分がどんどん気化して体積が膨張、別の部分でどんどん液化し体積が縮小しようとも）管の中はすべて同じ圧力であり、ピストンは動かない。
ポンプが無く、その部分が塞がっていたらピストンは動く。しかしそのうち水がなくなってしまう。
従ってポンプは必要である。
パスカルの原理によりポンプからピストンまでの区間の圧力は一定である（約20気圧）。
同様にピストンの反対側からポンプまでの区間の圧力も一定である（20気圧よりは十分に小さい）。
従ってポンプの両側の圧力差（ポンプが作り出している圧力差）とピストンの両側の圧力差（ピストンを動かす力の元になっている圧力差）は等しい。ポンプはそういう大きな圧力差にめげずに水を押し出しているのである。
だからといってポンプを動かすのに必要な運動エネルギーとピストンから得られる運動エネルギーが等しいわけではない。運動エネルギーは力と移動距離の積だからである。
ポンプの具体的な構造として
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/5956950.html
のシリンダと同じものを考えてみると良い。但し長さは同じままで断面積は1/1700とする。
こうするとポンプシリンダのピストンと動力発生部シリンダのピストンは同じ周期で往復する。
圧力は同じなのでポンプピストンを動かす力は動力発生部ピストンを動かす力の1/1700でよい。
すなわち力（そしてエネルギー）が1700倍されるのである。
まとめると、動力発生部ピストンを動かすエネルギーのうち1/1700はポンプが運動エネルギーとして、残りの1699/1700は温めたり（冷やしたり？）する熱エネルギーとして供給されていることになる。

回答No.3

tadys

No.2です。
仕事量の増幅率は1700倍ですね。

回答No.2

tadys

蒸気機関の場合、ヒーターで暖めるのは空気ではなく水です。
そして、単に暖めるのではなく水を水蒸気に変えます。

逆流しないのはポンプがあるからです。
シリンダーを動かすエネルギーのほとんど全ては水が水蒸気になる時に膨張する事によります。

ヒーターがないときのことを考えて見ましょう。
ポンプをピストンポンプとすると、シリンダーとピストンの面積比を100とすればパスカルの原理によりピストンを１の力で押せばシリンダーには100の力が発生します。
その代わり、ピストンを１の距離移動させたときにシリンダーの移動距離は1/100となって仕事量は変わりません。

それでは水を加熱して水蒸気にしたときはどうなるでしょうか。
水は水蒸気に変わるときに体積がおよそ1700倍に膨張します。
ピストンで１の水をボイラーに注入するとそれは1700の水蒸気を注入した事になります。
これによりシリンダーの移動距離は1700/100=17倍になります。
力の関係は変わらないのでシリンダーがする仕事量はピストンがする仕事量の17倍に増幅されたことになります。
このエネルギーはヒーターからの熱エネルギーが行ったものです。

お礼

お礼が遅くなりました。以前にお礼を書いたつもりでいたのですが今日見てみると載っていませんでした。
蒸気機関が、水が水蒸気になることによって体積がとても大きくなる事を利用しているのはわかります。
ただその圧力がどうしてシリンダの方にだけ向かうのか、どうして冷却器の方向には逆流しないのかがわかりません。
水から水蒸気への変換が間欠的に行われ、それに合わせてヒータの両側についている弁が適宜閉じたり開いたりして圧力が一方向にだけ向かうようにしている、というのであればわかります。
しかし
http://www.comb.kokushikan.ac.jp/klab/OW/therm/steam-engine1.html
ではそういった弁が記述されていません。

回答No.1

semikuma

> ヒーターで温められた空気は

大きな勘違いをされているようですが、蒸気機関とはあくまで、「液体の」水を熱して気化させたときの、膨張する圧力を利用するものです。
下のURLの「往復動蒸気エンジン」の図を見るとよく理解できるでしょう。
http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/engines/general_j.html

ポンプは、より高い圧力(蒸気圧)を発生させるための付加的なものであり、本質ではありません。

蛇足ですが、復水器で蒸気を水に戻して体積を小さくすることにより陰圧が発生して、これも蒸気の流れの向きを決めているともいえるでしょう。
但し一般の蒸気機関車では、蒸気は煙突から排出していたようです。
http://www.fsinet.or.jp/~takaaki/sl/rinku/slnosikumi.htm

補足

回答ありがとうございます。

＞蒸気機関とはあくまで、「液体の」水を熱して気化させたときの、膨張する圧力を利用するものです。

これは知っています。

私の疑問はその圧力がなぜ一方向（シリンダ方向）にだけ向かうのか。ということです。
よろしくお願い致します。