例題集

理想気体の性質と状態変化(13) ポリトロープ変化

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 $(2)$ \[ p_1 V_1^n = p_2 V_2^n \\ p_1 \left( \frac{mRT_1}{p_1} \right)^n = p_2 \left( \frac{mRT_2}{p_2} \right)^n \\ p_1^{1-n} \times T_1^n= p_2^{1-n} \times T_2^n \\ \left( \frac{T_2}{T_1} \right)^n = \left( \frac{p_1}{p_2} \right)^{1-n} \\ \left( \frac{T_2}{T_1} \right)^n=\left( \frac{p_2}{p_1} \right)^{n-1} \\ \begin{align} T_2 &= T_1 \left( \frac{P_2}{P_1} \right)^{\frac{n-1}{n}} \\ &= 300\left( \frac{2.7}{0.1} \right)^{\frac{0.3}{1.3}} \\ &=641.85 \\ &=641.9 \ \rm{K} \\ &=368.9\rm{^\circ C} \end{align} \] $(3)$ \[ \begin{align} \Delta U &= m c_V \Delta T \\ &= 10 \times 0.7171 \times (T_2 - T_1) \\ &=2451.4 \,\rm{kJ} \\ &=2.451 \,\rm{MJ} \end{align} \]