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
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。
1公式と解法
エネルギー収支
- 顕熱
- Q = ṁ·cp·ΔT
- 潜熱
- Q = ṁ·hfg
- 混合
- ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
- 水
- cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)
熱機関と冷凍機
- 効率
- η = W/QH = 1 − QC/QH
- カルノー効率
- ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
- 冷凍機の COP
- COPR = QC/W
- ヒートポンプの COP
- COPHP = QH/W = COPR + 1
- エネルギー収支
- QH = W + QC
ガスサイクル
- 等エントロピー変化（体積比）
- T2/T1 = rk−1
- 等エントロピー変化（圧力比）
- T2/T1 = rp(k−1)/k
- オットーサイクルの効率
- η = 1 − 1/rk−1
- ディーゼルサイクルの効率
- η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
- ブレイトンサイクルの効率
- η = 1 − 1/rp(k−1)/k
- 加熱量
- オットー：cv(T3 − T2) ディーゼル、ブレイトン：cp(T3 − T2)
- ブレイトンサイクルの正味仕事
- w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
- 断熱効率
- wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
- 冷空気標準
- k = 1.4, cp = 1.005, cv = 0.718 kJ/(kg·K)
2演習問題
1.理想気体の状態方程式ふつう
650 kPa、95 °C において、CO₂ 40 g が占める体積 V はいくらか。理想気体として扱う。
m = 40 gM = 44.01 g/molP = 650 kPaT = 95 °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O₂が 200 kPa、20 L、35 °C から 500 kPa、210 °C に変化する。新しい体積 V2 を求めよ。
P1 = 200 kPaV1 = 20 LT1 = 35 °CP2 = 500 kPaT2 = 210 °C
V2 = L
3.エネルギー収支ふつう
高温の軽油が、熱損失のない向流熱交換器で水を冷やす。水の出口温度 tout を求めよ。
ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Cṁc = 0.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °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 5% を周囲に失う。必要な水の流量 ṁc を求めよ。
ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 30 → 75 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)損失 = 5 %
ṁc = 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 3900 kJ の熱を受け取る。得られる最大の仕事 Wmax を求めよ。
TH = 700 °CTL = 15 °CQH = 3900 kJ
Wmax = kJ
6.熱機関と冷凍機むずかしい
ヒートポンプが、外気 -5 °C のときに家を 21 °C に保ち、家に 11 kW の熱を供給する。 必要な最小入力動力 Ẇmin を求めよ。
TH = 21 °CTL = -5 °CQ̇H = 11 kW
Ẇmin = kW
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 = 18、締切比は rc = v₃/v₂ = 2.2 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、cp = 1.005 kJ/(kg·K)、cv = 0.718 kJ/(kg·K) とする。 加熱終わりの温度 T3 を K で求めよ。
r = 18rc = 2.2T1 = 300 Kk = 1.4
T3 = K
8.ガスサイクルむずかしい
ガスタービン発電設備が、圧縮機の圧力比 14 のブレイトンサイクルで運転されている。空気は 300 K で圧縮機に入り、1400 K でタービンに入る。 圧縮機もタービンも等エントロピー的に作動する。 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、cp = 1.005 kJ/(kg·K)、cv = 0.718 kJ/(kg·K) とする。 空気 1 kg あたりの正味仕事 wnet を kJ/kg で求めよ。
rp = 14T1 = 300 KT3 = 1400 Kk = 1.4cp = 1.005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg
3溶液
1.理想気体の状態方程式
答え: V = 4.28 L
理想気体の状態方程式：PV = nRT、n = m/M。
物質量
n = 40/44.01 = 0.9089 mol
T = 95 + 273.15 = 368.1 K
体積
V = nRT/P = 0.9089·8.314·368.1/650 = 4.28 L
答え
V = 4.28 L
2.理想気体の状態方程式
答え: V2 = 12.54 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 = 308.1 K, T2 = 483.1 K
ボイル・シャルルの法則
V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(200/500)·(483.1/308.1) = 12.54 L
答え
V2 = 12.54 L
3.エネルギー収支
答え: tout = 60.22 °C
熱交換器のエネルギー収支：損失がなければ ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)。
高温流体が放出する熱
Q = 1.5·2.1·(150 − 120) = 94.5 kW
水が受け取る熱
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 94.5/(0.5·4.18) = 60.22 °C
答え
tout = 60.22 °C
4.エネルギー収支
答え: ṁc = 0.9242 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
Qh = 1.5·2.44·(120 − 70) = 183 kW
水に届く熱
Qc = (1 − 0.05)·183 = 173.8 kW
水の流量
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 173.8/(4.18·45) = 0.9242 kg/s
答え
ṁc = 0.9242 kg/s
5.熱機関と冷凍機
答え: Wmax = 2745 kJ
第 2 法則による限界：絶対温度 TH と TL 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：ηmax = 1 − TL/TH、COPR,max = TL/(TH − TL)、COPHP,max = TH/(TH − TL)。エネルギーは常に保存されます：QH = W + QL。
絶対温度
TH = 700 + 273.15 = 973.1 K
TL = 15 + 273.15 = 288.1 K
カルノー効率
ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 288.1/973.1 = 70.39 %
最大仕事
Wmax = ηmax·QH = 0.7039·3900 = 2745 kJ
答え
Wmax = 2745 kJ
6.熱機関と冷凍機
答え: Ẇmin = 0.9723 kW
第 2 法則による限界：絶対温度 TH と TL 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：ηmax = 1 − TL/TH、COPR,max = TL/(TH − TL)、COPHP,max = TH/(TH − TL)。エネルギーは常に保存されます：QH = W + QL。
絶対温度
TH = 21 + 273.15 = 294.1 K
TL = -5 + 273.15 = 268.1 K
可能な最良の COP
COPHP,max = TH/(TH − TL) = 294.1/(294.1 − 268.1) = 11.31
最小動力
必要な仕事が最も少ないのは、COP が最大の可逆機械です。
Ẇmin = Q̇H/COP = 11/11.31 = 0.9723 kW
答え
Ẇmin = 0.9723 kW
7.ガスサイクル
答え: T3 = 2097 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 rc = v₃/v₂ を用いると、T₂ = T₁·rk−1、T₃ = rc·T₂、qin = cp·(T₃ − T₂)、η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)) です。
圧縮の終わり
T2 = 300·180.4 = 953.3 K
等圧加熱
T3 = rc·T2 = 2.2·953.3 = 2097 K
答え
T3 = 2097 K
8.ガスサイクル
答え: wnet = 405.7 kJ/kg
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 rp = P₂/P₁ を用いると、T₂ = T₁·rp(k−1)/k、T₄ = T₃/rp(k−1)/k、η = 1 − 1/rp(k−1)/k です。正味仕事 w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]。断熱効率を考えると、圧縮機には ws/ηc が必要で、タービンは ηt·ws を出します。
等エントロピー変化後の温度
T2 = 300·140.2857 = 637.7 K
T4 = 1400/140.2857 = 658.7 K
圧縮機仕事とタービン仕事
wc = 1.005·(637.7 − 300) = 339.3 kJ/kg
wt = 1.005·(1400 − 658.7) = 745 kJ/kg
正味仕事
wnet = 745 − 339.3 = 405.7 kJ/kg
答え
wnet = 405.7 kJ/kg
後退仕事比（バックワーク比）：wc/wt = 45.55%。
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