理解レベル
難易度: ★★
$10\,\rm{kg}$の空気が,$p V^{1.3}=C$(一定)にしたがって,圧力$0.1\,\rm{MPa}$,温度$27\,\rm{^\circ C}$の初期状態から圧縮され,圧力が$2.7\,\rm{MPa}$になったとする.
次の問いに答えよ.ただし,$0^\circ\rm{C}=273\,\rm{K}$とし,端数については有効数字$4$桁とせよ.
$(1)$
この状態変化は何変化か.
$(2)$
圧縮後の空気の温度$T_2$を求めよ.
$(3)$
内部エネルギの増加$\Delta U$を求めよ.
ただし,空気の定容比熱$c_v = 0.7171 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)}$とする.
$(1)$
ポリトロープ
$(2)$
\[
p_1 V_1^n = p_2 V_2^n \\
p_1 \left( \frac{mRT_1}{p_1} \right)^n = p_2 \left( \frac{mRT_2}{p_2} \right)^n \\
p_1^{1-n} \times T_1^n= p_2^{1-n} \times T_2^n \\
\left( \frac{T_2}{T_1} \right)^n = \left( \frac{p_1}{p_2} \right)^{1-n} \\
\left( \frac{T_2}{T_1} \right)^n=\left( \frac{p_2}{p_1} \right)^{n-1} \\
\begin{align}
T_2
&= T_1 \left( \frac{P_2}{P_1} \right)^{\frac{n-1}{n}} \\
&= 300\left( \frac{2.7}{0.1} \right)^{\frac{0.3}{1.3}} \\
&=641.85 \\
&=641.9 \ \rm{K} \\
&=368.9\rm{^\circ C}
\end{align}
\]
$(3)$
\[
\begin{align}
\Delta U
&= m c_V \Delta T \\
&= 10 \times 0.7171 \times (T_2 - T_1) \\
&=2451.4 \,\rm{kJ} \\
&=2.451 \,\rm{MJ}
\end{align}
\]