熱力学 I：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

理想気体の状態方程式

理想気体の状態方程式: pV = nRT
気体定数: R = 8.314 J/(mol·K)
ボイル・シャルルの法則: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
物質量: n = m/M
温度: T[K] = T[°C] + 273.15

エネルギー収支

顕熱: Q = ṁ·c_p·ΔT
潜熱: Q = ṁ·h_fg
混合: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
水: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

熱機関と冷凍機

効率: η = W/Q_H = 1 − Q_C/Q_H
カルノー効率: η_C = 1 − T_C/T_H (kelvin)
冷凍機の COP: COP_R = Q_C/W
ヒートポンプの COP: COP_HP = Q_H/W = COP_R + 1
エネルギー収支: Q_H = W + Q_C

ガスサイクル

等エントロピー変化（体積比）: T₂/T₁ = r^k−1
等エントロピー変化（圧力比）: T₂/T₁ = r_p^(k−1)/k
オットーサイクルの効率: η = 1 − 1/r^k−1
ディーゼルサイクルの効率: η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k(r_c − 1))
ブレイトンサイクルの効率: η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k
加熱量: オットー：c_v(T₃ − T₂) ディーゼル、ブレイトン：c_p(T₃ − T₂)
ブレイトンサイクルの正味仕事: w = c_p[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]
断熱効率: w_c = w_c,s/η_c, w_t = η_t·w_t,s
冷空気標準: k = 1.4, c_p = 1.005, c_v = 0.718 kJ/(kg·K)

2演習問題

1.理想気体の状態方程式ふつう

600 kPa、55 °C において、CH₄ 110 g が占める体積 V はいくらか。理想気体として扱う。

m = 110 gM = 16.04 g/molP = 600 kPaT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

2.理想気体の状態方程式むずかしい

一定量のN₂が 350 kPa、10 L、30 °C から 150 kPa、210 °C に変化する。新しい体積 V₂ を求めよ。

P₁ = 350 kPaV₁ = 10 LT₁ = 30 °CP₂ = 150 kPaT₂ = 210 °C

V₂ = L

3.エネルギー収支ふつう

高温のエタノールが、熱損失のない向流熱交換器で水を冷やす。水の出口温度 t_out を求めよ。

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 70 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.エネルギー収支むずかしい

高温のエタノールが熱交換器で水を加熱する。この熱交換器は高温流体が放出する熱の 10% を周囲に失う。必要な水の流量 ṁ_c を求めよ。

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 100 °Ct: 30 → 75 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)損失 = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.熱機関と冷凍機ふつう

熱機関が 700 °C の高温熱源と 15 °C の低温熱源の間で働く。この機関は 4000 kJ の熱を受け取る。得られる最大の仕事 W_max を求めよ。

T_H = 700 °CT_L = 15 °CQ_H = 4000 kJ

W_max = kJ

6.熱機関と冷凍機むずかしい

熱機関が 1 サイクルあたり 800 °C の熱源から 1100 kJ の熱を受け取り、550 kJ の仕事をして、残りを 40 °C の熱源へ放出する。1 サイクルあたりの全エントロピー生成量 S_gen を求めよ。

T_H = 800 °CT_L = 40 °CQ_H = 1100 kJW = 550 kJ

S_gen = kJ/K

7.ガスサイクルふつう

理想ディーゼルサイクルの圧縮比は r = 20、締切比は r_c = v₃/v₂ = 3 である。圧縮開始時の空気の温度は 300 K である。冷空気標準の仮定を用いる：空気は比熱一定の理想気体で、k = 1.4、c_p = 1.005 kJ/(kg·K)、c_v = 0.718 kJ/(kg·K) とする。加熱終わりの温度 T₃ を K で求めよ。

r = 20r_c = 3T₁ = 300 Kk = 1.4

T₃ = K

8.ガスサイクルむずかしい

理想ブレイトンサイクルが圧縮機の圧力比 12 で運転されている。冷空気標準の仮定を用いる：空気は比熱一定の理想気体で、k = 1.4、c_p = 1.005 kJ/(kg·K)、c_v = 0.718 kJ/(kg·K) とする。理論熱効率 η をパーセントで求めよ。

r_p = 12k = 1.4

η = %

3溶液

1.理想気体の状態方程式

答え: V = 31.18 L

理想気体の状態方程式：PV = nRT、n = m/M。

物質量

n = 110/16.04 = 6.858 mol

T = 55 + 273.15 = 328.1 K

体積

V = nRT/P = 6.858·8.314·328.1/600 = 31.18 L

答え

V = 31.18 L

2.理想気体の状態方程式

答え: V₂ = 37.19 L

ボイル・シャルルの法則：一定量の理想気体では P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂。

絶対温度

T₁ = 303.1 K, T₂ = 483.1 K

ボイル・シャルルの法則

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(350/150)·(483.1/303.1) = 37.19 L

答え

V₂ = 37.19 L

3.エネルギー収支

答え: t_out = 49.19 °C

熱交換器のエネルギー収支：損失がなければ ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in)。

高温流体が放出する熱

Q = 1.5·2.44·(170 − 70) = 366 kW

水が受け取る熱

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 366/(3·4.18) = 49.19 °C

答え

t_out = 49.19 °C

4.エネルギー収支

答え: ṁ_c = 0.3502 kg/s

損失のあるエネルギー収支：放出熱 = 吸収熱 + 損失熱。

放出熱

Q_h = 0.5·2.44·(160 − 100) = 73.2 kW

水に届く熱

Q_c = (1 − 0.1)·73.2 = 65.88 kW

水の流量

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 65.88/(4.18·45) = 0.3502 kg/s

答え

ṁ_c = 0.3502 kg/s

5.熱機関と冷凍機

答え: W_max = 2816 kJ

第 2 法則による限界：絶対温度 T_H と T_L の熱源の間で働くどんなサイクルも、可逆（カルノー）サイクルを上回れません：η_max = 1 − T_L/T_H、COP_R,max = T_L/(T_H − T_L)、COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L)。エネルギーは常に保存されます：Q_H = W + Q_L。

絶対温度

T_H = 700 + 273.15 = 973.1 K

T_L = 15 + 273.15 = 288.1 K

カルノー効率

η_max = 1 − T_L/T_H = 1 − 288.1/973.1 = 70.39 %

最大仕事

W_max = η_max·Q_H = 0.7039·4000 = 2816 kJ

答え

W_max = 2816 kJ

6.熱機関と冷凍機

答え: S_gen = 0.7313 kJ/K

エントロピー生成：1 サイクル全体で作動流体の正味のエントロピー変化はありません。高温熱源は Q_H/T_H を失い、低温熱源は Q_L/T_L を得ます。その和が生成されたエントロピーで、可逆サイクルでは 0、実際のサイクルではすべて正になります。

放出熱

Q_L = Q_H − W = 1100 − 550 = 550 kJ

絶対温度

T_H = 800 + 273.15 = 1073 K

T_L = 40 + 273.15 = 313.1 K

熱源のエントロピー変化

ΔS_H = −1100/1073 = −1.025 kJ/K

ΔS_L = 550/313.1 = 1.756 kJ/K

S_gen = 1.756 − 1.025 = 0.7313 kJ/K

答え

S_gen = 0.7313 kJ/K

S_gen > 0 なので、この機関は実現可能ですが不可逆です。

7.ガスサイクル

答え: T₃ = 2983 K

ディーゼルサイクル（圧縮着火機関）：1→2 等エントロピー圧縮、2→3 等圧加熱、3→4 等エントロピー膨張、4→1 等容放熱。圧縮比 r = v₁/v₂ と締切比 r_c = v₃/v₂ を用いると、T₂ = T₁·r^k−1、T₃ = r_c·T₂、q_in = c_p·(T₃ − T₂)、η = 1 − (1/r^k−1)·(r_c^k − 1)/(k·(r_c − 1)) です。

圧縮の終わり

T₂ = 300·20^0.4 = 994.3 K

等圧加熱

T₃ = r_c·T₂ = 3·994.3 = 2983 K

答え

T₃ = 2983 K

8.ガスサイクル

答え: η = 50.83 %

ブレイトンサイクル（ガスタービン）：1→2 等エントロピー圧縮、2→3 等圧加熱、3→4 タービンでの等エントロピー膨張、4→1 等圧放熱。圧力比 r_p = P₂/P₁ を用いると、T₂ = T₁·r_p^(k−1)/k、T₄ = T₃/r_p^(k−1)/k、η = 1 − 1/r_p^(k−1)/k です。正味仕事 w = c_p·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]。断熱効率を考えると、圧縮機には w_s/η_c が必要で、タービンは η_t·w_s を出します。

熱効率

η = 1 − 1/12^0.2857 = 1 − 1/2.034 = 50.83%

答え

η = 50.83%

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