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

800 kPa、30 °C において、CH₄ 350 g が占める体積 V はいくらか。理想気体として扱う。

m = 350 gM = 16.04 g/molP = 800 kPaT = 30 °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CO₂が 250 kPa、5 L、35 °C から 600 kPa、160 °C に変化する。新しい体積 V₂ を求めよ。

P₁ = 250 kPaV₁ = 5 LT₁ = 35 °CP₂ = 600 kPaT₂ = 160 °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 = 3 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 120 °Cṁ_c = 2 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

高温の軽油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 ṁ_c を求めよ。

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 70 °Ct: 25 → 40 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)損失 = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.熱機関と冷凍機ふつう

可逆冷凍機が 9 kW の熱を取り除いて冷蔵室を 2 °C に保ち、20 °C の周囲へ熱を放出する。放出する熱量 Q̇_H を求めよ。

T_L = 2 °CT_H = 20 °CQ̇_L = 9 kW

Q̇_H = kW

6.熱機関と冷凍機むずかしい

ヒートポンプが、外気 -10 °C のときに家を 20 °C に保ち、家に 8 kW の熱を供給する。必要な最小入力動力 Ẇ_min を求めよ。

T_H = 20 °CT_L = -10 °CQ̇_H = 8 kW

Ẇ_min = 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 = 20、締切比は r_c = v₃/v₂ = 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、c_p = 1.005 kJ/(kg·K)、c_v = 0.718 kJ/(kg·K) とする。空気 1 kg あたりの加熱量 q_in を kJ/kg で求めよ。

r = 20r_c = 2T₁ = 300 Kk = 1.4c_p = 1.005 kJ/(kg·K)

q_in = kJ/kg

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 20 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 = 20k = 1.4

η = %

3溶液

1.理想気体の状態方程式

答え: V = 68.75 L

理想気体の状態方程式：PV = nRT、n = m/M。

物質量

n = 350/16.04 = 21.82 mol

T = 30 + 273.15 = 303.1 K

体積

V = nRT/P = 21.82·8.314·303.1/800 = 68.75 L

答え

V = 68.75 L

2.理想気体の状態方程式

答え: V₂ = 2.928 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 = 433.1 K

ボイル・シャルルの法則

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(250/600)·(433.1/308.1) = 2.928 L

答え

V₂ = 2.928 L

3.エネルギー収支

答え: t_out = 55.02 °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 = 3·2.44·(160 − 120) = 292.8 kW

水が受け取る熱

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 292.8/(2·4.18) = 55.02 °C

答え

t_out = 55.02 °C

4.エネルギー収支

答え: ṁ_c = 10.5 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 = 3·2.1·(180 − 70) = 693 kW

水に届く熱

Q_c = (1 − 0.05)·693 = 658.4 kW

水の流量

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 658.4/(4.18·15) = 10.5 kg/s

答え

ṁ_c = 10.5 kg/s

5.熱機関と冷凍機

答え: Q̇_H = 9.589 kW

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 = 20 + 273.15 = 293.1 K

T_L = 2 + 273.15 = 275.1 K

可逆サイクルの熱量比

Q̇_H = Q̇_L·T_H/T_L = 9·293.1/275.1 = 9.589 kW

答え

Q̇_H = 9.589 kW

入力動力：Ẇ = 0.5888 kW。

6.熱機関と冷凍機

答え: Ẇ_min = 0.8187 kW

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 = 20 + 273.15 = 293.1 K

T_L = -10 + 273.15 = 263.1 K

可能な最良の COP

COP_HP,max = T_H/(T_H − T_L) = 293.1/(293.1 − 263.1) = 9.772

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。

Ẇ_min = Q̇_H/COP = 8/9.772 = 0.8187 kW

答え

Ẇ_min = 0.8187 kW

7.ガスサイクル

答え: q_in = 999.3 kJ/kg

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。

温度

T₂ = 300·20^0.4 = 994.3 K

T₃ = 2·994.3 = 1989 K

等圧加熱量

q_in = 1.005·(1989 − 994.3) = 999.3 kJ/kg

答え

q_in = 999.3 kJ/kg

8.ガスサイクル

答え: η = 57.51 %

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 − 1/20^0.2857 = 1 − 1/2.354 = 57.51%

答え

η = 57.51%

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