電験三種の電力 火力発電、T－s線図とP－V線図を押さえる
T－s線図とP－V線図がわかると熱サイクルがわかる
火力発電のうち、蒸気の熱エネルギーを機械エネルギーに変換して発電するものを汽力発電といいます。汽力発電の熱エネルギーの流れを熱サイクルといいます。熱サイクルを考える場合、T－s線図とP－V線図というグラフを使います。T－s線図は、温度（T）を縦軸、蒸気が得た熱量の変化エントロピー（s）を横軸にしたグラフです。P－V線図は蒸気の圧力Pを縦軸、蒸気の体積Vを横軸にしたグラフです。
■熱サイクルとは？
汽力発電では、燃料を燃焼させ、熱エネルギーで給水を加熱して蒸気を発生させます。蒸気はタービンで仕事した後、排気され復水器に入ります。復水器で冷却されて水に戻ります。（復水といいます。）復水は再び給水として加熱され蒸気となります。
この連続した流れを熱サイクルといいます。（図1参照）
汽力発電の最も基本的な熱サイクルをランキンサイクルといい、断熱変化と等圧変化から構成されています。
断熱変化・・・外部からの熱の出入りを遮断し、膨張または圧縮変化をするときの状態
等圧変化・・・圧力を一定として受熱、放熱する状態
■熱サイクルとT－s線図、P－V線図の関係
図2は、ランキンサイクルの図です。
ランキンサイクルを表すグラフには、温度とエントロピーで表したT－s線図、圧力と体積で表したP－V線図があります。
※エントロピー：熱を加えたり、奪うときに増減します。断熱変化ではエントロピーは不変ですが、等温変化では変化します。
図2に対応するT－s線図を図3、P－V線図を図4に示します。
断熱圧縮A－B：給水は給水ポンプにより加圧されボイラに送られます。
（水なので体積は変化せず、温度が上昇する）
等圧受熱B－C：給水はボイラで熱を得て、飽和水から乾き飽和蒸気となり、加熱蒸気になります。
断熱膨張C－D：タービンの中で断熱膨張してタービンを回します。蒸気は圧力、温度とも下がり、湿り飽和蒸気となります。
等圧放熱D－A：タービンから排出された湿り蒸気は復水器に入り。放熱して水に戻ります。
水蒸気の特性
水を熱すると、水温が上がり沸点に達します。沸点に達した水をさらに熱しても温度は上がらず、熱量は水を蒸発させるために消費されます。沸点は圧力が増すと高くなります。
飽和温度 ：ある圧力対する沸点
飽和水 ：飽和温度の水
飽和蒸気 ：飽和温度の蒸気
湿り飽和蒸気：水分を含んだ飽和蒸気
乾き飽和蒸気：水分を含まない飽和蒸気
乾燥飽和蒸気：飽和蒸気をさらに加熱した蒸気
過熱蒸気 ：乾燥飽和蒸気をさらに加熱した蒸気で、加えた熱量に比例して温度が上昇します。
■例題で覚える
例題1 ◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇
図5のT－s線図において、等圧受熱はどの部分か、正しいものを次のうちから選べ
（1）A→B （2）B→C （3）C→D （4）D→A （5）A→D
解き方 答え （2）
図3より、等圧受熱はB→C
A→Bは断熱圧縮、C→Dは断熱膨張、D→Aは等圧放熱となります。
例題2 ◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇◇
図6のP－V線図において、断熱膨張はどの部分か、正しいものを次のうちから選べ
（1）A→B （2）B→C （3）C→D （4）D→A （5）A→D
解き方 答え （3）
図4より、断熱膨張はC→D
A→Bは断熱圧縮、B→Cは等圧受熱、D→Aは等圧放熱となります。
■電験三種での出題例
図7は、汽力発電所の熱サイクルを示すT－s線図である。ボイラの過熱器は、図のどの部分を受け持っているか。正しいものを次のうちから選べ。
（1）1→2 （2）2→3 （3）3→4 （4）4→5 （5）5→6
答え （4）
解き方
給水ポンプ→ボイラ→タービン→復水器も間では、水は次のように状態が変化します。
1→2：給水ポンプで加圧される。
2→3：ボイラで飽和温度まで加熱される。
3→4：ボイラで蒸発し飽和蒸気になる。
4→5：過熱器で過熱され過熱蒸気になる。
5→6：タービンで断熱膨張し仕事を行い、温度、圧力が下がる。
6→1：復水器で冷却され水に戻る。
出題例は、T－s線図から汽力発電の設備（過熱器）の役割を考える問題です。これをP－V線図を使って求める問題、あるいはグラフから水の状態変化（断熱膨張、等圧受熱など）を求める問題も出題されます。熱サイクルとT－s線図、P－V線図を合わせて学習することで、熱サイクルの問題への対応力がアップしますので、ぜひマスターしましょう。
