逆カルノーサイクル：冷凍機

1 · 予測

カルノーサイクルを逆向きに動かすと、機関は冷凍機になる。正味の仕事は外へ出る代わりに中へ入る。実際の冷凍機が内部から熱を取り出すように、気体は低温熱源から熱を吸収し続けるか？

• いいえ — サイクルを逆にすると、どちらの熱源が熱を吸収するかも逆になる。
• 逆サイクルはどちらの熱源とも熱を交換しない。
• はい — 逆サイクルは低温側から熱を吸収し、入力された仕事を使って、より多くの熱を高温側へ放出する。

2 · 準備

1. carnot-fridge プリセットを開き、「リセット」を押す。carnot-cycle と同じ4つの過程を逆の順序で行う。
2. 各過程の仕事の表示と、冷却／加熱 COP の表示を有効にする。
3. サイクルの各過程（1から4）について、その過程の目標体積と、その過程で気体がした仕事を読み取る。

3 · データ収集

P-V 図を描き、過程を順番にたどる。進行方向（時計回りまたは反時計回り）を carnot-cycle 実験の図と比較する。

4 · 分析

1. 4つの過程の仕事の値を合計する。合計（気体がした正味の仕事）は負になるはずであり、正味の仕事を気体へ供給する必要があることを示す。冷却 COP = Tc/(Th − Tc) = 300/(600−300) = 1.0、加熱 COP = Th/(Th − Tc) = 2.0 を計算する。
2. ここでの過程の順序を carnot-cycle の過程の順序と比較する。同じ4つの過程の順序を逆にするだけで、サイクルが機関（正味の仕事が出る）から冷凍機（正味の仕事が入る）へ変わる理由を説明する。

5 · 発展

1. 冷却 COP が 1.0 とは、供給した仕事 1 J ごとに冷凍機が低温空間から 1 J の熱を移動させることを意味する。加熱 COP が 2.0（ヒートポンプモード）とは、仕事 1 J ごとに高温空間へ 2 J の熱を届けることを意味する。同じ熱源では、COP_heat が常に COP_cool よりちょうど1大きい理由を説明する。
2. 機関効率（常に ≤ 1）とは異なり、COP は 1 を超えることができる。これはエネルギー保存則に反しない。COP > 1 が可能な理由を説明する。運ばれる追加のエネルギーは、何もないところから作られるのではなく、冷却される熱源から来る。

この実験の物理

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