ヒートポンプはどのように動作するのでしょうか?

最近、ヒートポンプは家を暖めるより良い方法として話題になっています。夏にはエアコンの代わりになるという二重の効果もあります。素晴らしいのは、従来の暖房器具よりもエネルギー効率が高く、燃料を一切使わないことです。そのため、古いガス暖房器具を交換することで、二酸化炭素排出量を大幅に削減できます。

でも、ヒートポンプって一体何なんだろう？どうやって動くんだろう？寒い冬の日に外の熱を移動させて暖かくしてくれるって聞いたら、きっともっと疑問が湧いてくるよね？例えば、外の冷気を使ってどうやって室内の温度を上げるの？って？ご心配なく、説明させてください。そこにはすごい物理学が関わっているんです。それでは、早速始めましょう。

気温は変だ

暖かい空気と冷たい空気の違いは何でしょうか？そもそも「温度」とはどういう意味でしょうか？実は、思っているよりも不思議なのです。簡単に言うと、空気の温度が上昇すると、空気分子の運動エネルギーが増加します。運動エネルギーとは、物体が運動によって持つエネルギーのことです。つまり、75度の空気中の分子は、40度の空気中の分子よりも速く動いているのです。

つまり、空気の温度を上げたいなら、何らかのエネルギーを投入する必要があるということです。本当に、すべてはエネルギーの問題なのです。

さて、「ヒートポンプ」は水道ポンプが水を動かすように熱を送り出すものだと、あなたは当然想像するかもしれません。しかし、熱は実際には物体ではありません。温度差によってある物体から別の物体へとエネルギーが移動するのです。正直なところ、物理学者でさえこの用語を省略形として誤用することがありますが、厳密に言えば、物体は「熱を持つ」ことも「熱を失う」こともできません。名詞ではなく動詞として考えましょう。

運動エネルギーが物体の運動の尺度であるように、熱エネルギーは物体が温度によって持つエネルギーです。熱エネルギーの量は、物体の質量と「比熱容量」にも依存します。比熱容量とは、物体の温度を上げるのに必要なエネルギー量の尺度です。金属は比熱が低いため、熱くなりやすいです。そのため、フライパンの取っ手は木製やプラスチック製であることが多いのです。

そして、重要な事実があります。熱力学第二法則によれば、熱エネルギーは熱いものから冷たいものへのみ伝わり、その逆は起こりません。つまり、あなたが思っているのとは裏腹に、飲み物の中の氷は液体を「冷やしている」のではなく、液体が氷を温めているのです。つまり、液体はエネルギーを失って冷たくなり、氷はエネルギーを得て溶けているのです。

熱をもたらす

温度の異なる2つの物体を接触させると、熱相互作用が発生します。机の上にコーヒーカップを置くと、カップと机の両方の温度が変わります。この相互作用で、コーヒーは熱エネルギーを失い、テーブル（と周囲の空気）は熱エネルギーを得ます。この相互作用は、すべてが同じ温度になるまで続きます。うーん。ぬるいコーヒーですね。

しかし、このアイデアを使えば、家の中の空気の温度を上げることができます。とても簡単です。夏の暖かい日に外に出て、太陽の光に当たっている大きな石を持ってくるだけです。（小さな石は使えません。質量が小さいので熱エネルギーがあまりありません。背中ではなく、足で持ち上げることを忘れないでください！）この熱い石を家の中に持ち込むと、冷たい空気と熱相互作用が起こり、空気の温度が上がります。ドカン！これでヒーターが完成です。

ちょっと待ってください。これは外気温が暖かくないとできません。冬に外が寒い時に家を暖めたい場合はどうすればいいでしょうか？まあ、それほど難しくはありません。何かの温度を上げる方法は、より熱いものの隣に置く以外にもたくさんあります。木片を2枚こすり合わせると、両方とも熱くなります。あるいは、この自家製電気ヒーターはどうでしょうか。

はい、電池に接続された電線です。電流が流れると、電線は温まります。こうして空気よりも温かい物体が生まれ、家の中の温度を上げることができます。これが電気ヒーターの仕組みです。

あるいは、火を起こすこともできます。物を燃やすと、物質と空気中の酸素の間で化学反応が起こり、エネルギーが放出されます。このエネルギーは空気の温度を上げるために使われます。これはガス炉と同じです。このタイプの暖房は単純です。しかし残念ながら、木材や天然ガスなどの炭素系物質を燃やすと、二酸化炭素も発生します。

物事を冷たくする

さて、今度は家の中の空気を冷やしてみましょう。冷たい石を部屋に落とすこともできますが、夏の暑い日に冷たい石を見つけるのは難しいでしょう。ここで問題が起こります。物を暖かくするのと同じように、冷やす簡単な方法がないのです。

でも、これを見てください。輪ゴム（大きいほどいいですよ）を用意して、指の間にこのように挟んでみてください。

ゴムバンドを思いっきり伸ばして、温度に敏感な上唇に素早く当ててみましょう。前よりも温かく感じるはずです。これは、ゴムバンドにエネルギーが加わり、温度が上昇しているからです。

さあ、最高の瞬間へ！準備はいい？ゴムバンドを少し伸ばしたまま、室温に戻します。それからゴムバンドを緩めて、唇に軽く触れてみましょう。すると、室温よりも冷たくなります！ぜひご自身で試してみてください。

では、もし十分に大きな輪ゴムを持っていたら、それを使って家を冷やせるでしょうか？ちょっと待ってください。「第一段階では、輪ゴムを伸ばしたときに熱くなり、その後元の温度に戻る。その過程で空気が暖められた」と言うでしょう。その通りです。でも、もしその暖まった空気を外に排出できたらどうでしょうか？そうすれば、冷却段階だけを家の中に留めておくことができます。

ドカン！エアコンを発明したぞ！ゴムバンドの代わりに、エアコンには冷媒と呼ばれる液体が使われていて、これが内部から外部へと閉ループで循環している。この液体は比熱が低いため温度変化が速く、沸点も非常に低く、華氏マイナス15度くらいで気体になる。

仕組みは？まずガスを圧縮し、約150度まで加熱します。高温のガスは屋外に設置された銅製のコイルの中を循環し、ファンで風を吹き付けることで熱エネルギーを大気中に放出します。（銅は比熱が低いのも特徴です。）

その後、液体は再び室内に送り込まれ、急激に圧力が下がることで膨張し、瞬時に約40度まで冷却されます。冷えた液体が室内コイルを循環する際、ファンが温かい空気を吹き付け、液体を再び加熱すると同時に室内空気を冷却します。システムが循環する過程で、基本的に室内の熱エネルギーを吸収し、屋外に放出します。

ちなみに、これは冷蔵庫がチーズやソーダを冷やすのと全く同じプロセスです。どちらの場合も、このプロセスによって冷蔵庫内のものは冷たく、外側のものは暖かくなります。冷蔵庫の裏に手をかざせば、私の言っていることがよく分かるでしょう。ちなみに、輪ゴムで動く冷蔵庫を実際に作った人がいます。

つまりヒートポンプは新しいものではないのです！

これはヒートポンプに関する記事だと思っていましたか？ いや、そうではありません。ずっとヒートポンプについてお話してきました。なぜなら、ヒートポンプとヒートポンプは同じ原理で動いているからです。ヒートポンプはエアコンと同じように、冷媒を循環させ、圧力を変化させて温度を変えることで、ある場所から熱エネルギーを取り出し、別の場所に放出することで、家を冷やします。

さて、大きな謎に戻りましょう。ヒートポンプは、実際には熱を発生させることなく、寒い日に室内の温度を上げることができるのでしょうか？答えは簡単です。逆回転させるだけです！今度は、高温の圧縮冷媒を家の中で冷やして室内の温度を上げます。そして、低圧の冷たいガスを外に出して暖めます。

外を暖める？ええ、できます。凍えるような寒い日でも、空気は熱エネルギーを持っています。絶対零度（摂氏約-460度）以上であれば（信じてください、絶対零度です）、空気分子は動き続けます。そして、冷媒を例えば-15度（ほとんどの地域の冬の気温よりも低い）まで冷却すれば、極寒の空気からでも熱エネルギーを絞り出すことができます。

もちろん、エネルギーは無料で手に入るわけではありません。ヒートポンプはコンプレッサーとファンを動かすために電気を必要とします。しかし、自宅にソーラーパネルを設置している場合、あるいはお住まいの地域の電力の一部でも非炭素源から供給されている場合、ガス暖房器をヒートポンプに置き換えることで、温室効果ガスの排出量を大幅に削減できます。そして、おそらく光熱費も削減できるでしょう。