適用レベル
難易度: ★★★
状態$1 \rightarrow 2 \rightarrow 3 \rightarrow 4 \rightarrow 1$の変化過程が,次の熱力学的変化によって構成されるサイクルがある.
\[\left(\begin{array}{}
\ 1 \longrightarrow 2: 断熱圧縮 \\
\ 2 \longrightarrow 3: 等圧加熱 \\
\ 3 \longrightarrow 4: 断熱膨張 \\
\ 4 \longrightarrow 1: 等積冷却
\end{array}\right.\]
状態$1$における温度$T_1 =288 \,\rm{K}$,圧力$p_1 = 101.3 \, \rm{kPa}$,比エントロピー$s_1=0\, \rm{kJ/(kg\cdot K)}$,圧縮比$ \frac{V_1}{V_2}=14$とする.
また,$2 \rightarrow3$の過程において熱量$q_{23} = 2000 \, \rm{kJ/kg}$が供給されるとして,次の問いに答えよ.
ただし,作動流体の物性値は次表に従うものとする.
%=image:/media/2015/02/02/142287473339177000.png:
$(1)$ 次の表を完成させよ.ただし,余白部分に導出の過程(公式等)を明記し,有効数字4桁で答えよ.
%=image:/media/2015/02/02/142287324353679300.png:
$(2)$ 冷却過程における放熱量$q_{41} [\rm{kJ/kg}]$を求めよ.
$(3)$ このサイクルの理論熱効率$\eta$を求めよ.
$(4)$ このサイクルの $p--v$ 線図と $T--s$ 線図を描け.
$(1)$
%=image:/media/2015/02/02/142287293421096500.png:
(I)
\[
v_1= \frac{RT_1}{p_1}= \frac {286.99 \times 288}{0.1013 \times 10^6}
=0.81592
\\
\therefore
0.8159 \ \rm{m^3/kg}
\]
(II)
\[
p_2 = p_1 \left( \frac{v_1}{v_2} \right)^\kappa = 101.3 \times 14^{1.4}=4075.5
\\
\therefore
4076 \ \rm{kPa}
\]
(III)
\[
\frac{v_1}{v_2}=14 \ \Longrightarrow \ v_2= \frac{v_1}{14}=0.05828
\\
\therefore
0.05828 \ \rm{m^3/kg}
\]
(IV)
\[
T_2= \frac{p_2 v_2}{R}=\frac{4075.5 \times 10^3 \times0.05828}{0.28699 \times 10^3}=827.6
\\
\therefore
827.6 \ \rm{K}
\]
(V)
\[
s_2 = s_1 =0
\\
\therefore
0 \ \rm{kJ/(kg\cdot K)}
\]
(VI)
\[
p_3 = p_2 = 4076
\\
\therefore
4076 \ \rm{kPa}
\]
(VII)
\[
q_{23} = c_p (T_3 - T_2) \\
\Longrightarrow \ T_3= T_2 + \frac{q_{23}}{c_p}=827.6 + \frac{2000 \times 10^3}{1.006 \times 10^3} = 2815.7
\\
\therefore
2816 \ \rm{K}
\]
(VIII)
\[
v_2= \frac{RT_3}{p_3} = \frac{0.28699 \times 10^3 \times 2815.7}{4075.5 \times 10^3} = 0.19828
\\
\therefore
0.1983 \ \rm{m^3/kg}
\]
(IX)
\[
s_2= c_p \ln \frac{T_3}{T_2} +s_2 = 1.006 \times \ln \frac{2815.7}{827.6} =1.2318
\\
\therefore
1.232 \ \rm{kJ/(kg \cdot K)}
\]
(X)
\[
s_4 = s_3 = 1.232
\\
\therefore
1.232 \ \rm{kJ/(kg\cdot K)}
\]
(XI)
\[
v_4 = v_1 = 0.8159
\\
\therefore
0.8159 \ \rm{m^3/kg}
\]
(XII)
\[
p_4 = p_3 \left( \frac{v_3}{v_4} \right)^\kappa =4075.5 \times \left( \frac{0.19828}{0.81592} \right)^{1.4} =562.42
\\
\therefore
562.4 \ \rm{kPa}
\]
(XIII)
\[
T_4 = \frac{p_4 v_4}{R} = \frac{562.4 \times 0.81592}{0.28699} = 1598.9
\\
\therefore
1599 \ \rm{K}
\]
$(2)$
\[
\begin{align}
q_{41}=c_v (T_4 - T_1)
&=0.719 \times (1599-288) \\
\therefore
&=942.6 \ \rm{kJ/kg}
\end{align}
\]
$(3)$
\[
\eta= \frac{q_{23}-q_{41}}{q_{23}}= \frac{2060-942.6}{2000}=0.5287 \\
\therefore \ 52.9 \%
\]
$(4)$
%=image:/media/2015/02/03/142289671307867300.png: