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

200 kPa、85 °C において、N₂ 200 g が占める体積 V はいくらか。理想気体として扱う。

m = 200 gM = 28.01 g/molP = 200 kPaT = 85 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

2.理想気体の状態方程式むずかしい

300 kPa、120 °C におけるO₂の密度 ρ を、理想気体として求めよ。

M = 32 g/molP = 300 kPaT = 120 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

3.エネルギー収支ふつう

高温のグリコール混合液が、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 = 3 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 80 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.エネルギー収支むずかしい

高温のグリコール混合液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 = 3 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 90 °Ct: 25 → 90 °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 850 °C の熱源から熱を受け取り、35 °C の周囲へ熱を放出する。実際の熱効率は 47% である。第二法則効率（実際の効率とカルノー効率の比）η_II を求めよ。

T_H = 850 °CT_L = 35 °Cη = 47%

η_II = %

6.熱機関と冷凍機むずかしい

冷蔵庫が、32 °C のキッチンで冷蔵室を -10 °C に保ち、冷蔵室から 2 kW の熱を取り除く。可能な最大の成績係数 COP_max を求めよ。

T_H = 32 °CT_L = -10 °CQ̇_L = 2 kW

COP_max =

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 = 22、締切比は r_c = v₃/v₂ = 2.5 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。理論熱効率 η をパーセントで求めよ。

r = 22r_c = 2.5k = 1.4

η = %

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 15 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、1500 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、c_p = 1.005 kJ/(kg·K)、c_v = 0.718 kJ/(kg·K) とする。空気 1 kg あたりの正味仕事 w_net を kJ/kg で求めよ。

r_p = 15T₁ = 300 KT₃ = 1500 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

w_net = kJ/kg

3溶液

1.理想気体の状態方程式

答え: V = 106.3 L

理想気体の状態方程式：PV = nRT、n = m/M。

物質量

n = 200/28.01 = 7.14 mol

T = 85 + 273.15 = 358.1 K

体積

V = nRT/P = 7.14·8.314·358.1/200 = 106.3 L

答え

V = 106.3 L

2.理想気体の状態方程式

答え: ρ = 2.937 kg/m³

理想気体の密度：ρ = PM/(RT)。

状態方程式を変形する

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 120 + 273.15 = 393.1 K

密度

ρ = 300·32/(8.314·393.1) = 2.937 kg/m³

答え

ρ = 2.937 kg/m³

3.エネルギー収支

答え: t_out = 70.29 °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 = 3·3.6·(150 − 80) = 756 kW

水が受け取る熱

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 756/(3·4.18) = 70.29 °C

答え

t_out = 70.29 °C

4.エネルギー収支

答え: ṁ_c = 2.862 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 = 3·3.6·(170 − 90) = 864 kW

水に届く熱

Q_c = (1 − 0.1)·864 = 777.6 kW

水の流量

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 777.6/(4.18·65) = 2.862 kg/s

答え

ṁ_c = 2.862 kg/s

5.熱機関と冷凍機

答え: η_II = 64.77 %

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures T_H and T_L can beat the reversible (Carnot) cycle: η_max = 1 − T_L/T_H, COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) and COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L). Energy is always conserved: Q_H = W + Q_L.

絶対温度

T_H = 850 + 273.15 = 1123 K

T_L = 35 + 273.15 = 308.1 K

カルノー効率

η_Carnot = 1 − 308.1/1123 = 72.56 %

第二法則効率

η_II = η/η_Carnot = 47/72.56 = 64.77 %

答え

η_II = 64.77 %

6.熱機関と冷凍機

答え: COP_max = 6.265

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 = 32 + 273.15 = 305.1 K

T_L = -10 + 273.15 = 263.1 K

可能な最良の COP

COP_R,max = T_L/(T_H − T_L) = 263.1/(305.1 − 263.1) = 6.265

答え

COP_max = 6.265

7.ガスサイクル

答え: η = 63.95 %

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。

締切比の項

(2.5^1.4 − 1)/(1.4·(2.5 − 1)) = 1.241

熱効率

η = 1 − 0.2904·1.241 = 63.95%

答え

η = 63.95%

8.ガスサイクル

答え: w_net = 460 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 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。

等エントロピー変化後の温度

T₂ = 300·15^0.2857 = 650.4 K

T₄ = 1500/15^0.2857 = 691.9 K

圧縮機仕事とタービン仕事

w_c = 1.005·(650.4 − 300) = 352.1 kJ/kg

w_t = 1.005·(1500 − 691.9) = 812.1 kJ/kg

正味仕事

w_net = 812.1 − 352.1 = 460 kJ/kg

答え

w_net = 460 kJ/kg

後退仕事比（バックワーク比）：w_c/w_t = 43.36%。

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