戻る

例題集 / 機械 / 熱力学 (V-A-4 熱流体) / 蒸気の性質

絞り込み

難易度

蒸気の性質(1) 蒸気の状態

知識・記憶レベル   難易度:
下記は蒸気の$p--v$線図を示したものである. 領域$\rm{A}$($\rm{abc}$の左手),領域$\rm{B}(曲線$\rm{cbd}$の内側),領域$C$(\rm{abd}$の右手)に入る語句をそれぞれ答えよ. また,曲線$\rm{bc}$と曲線$\rm{bd}$の名称を答えよ. さらに点$\rm{b}$の名称を答えよ. \[ 領域\rm{A} : (\hspace{30px})\\ 領域\rm{B} : (\hspace{30px})\\ 領域\rm{C} : (\hspace{30px})\\ 曲\rm{bc} : (\hspace{30px})\\ 曲線\rm{bd} : (\hspace{30px})\\ 点\rm{b} : (\hspace{30px}) \] %=image:/media/2015/02/03/142289550659287600.png:

解答例・解説

領域$\rm{A}$ : 圧縮液 領域$\rm{B}$ : 湿り蒸気 領域$\rm{C}$ : 過熱蒸気 曲線$\rm{bc}$ : 飽和液線 曲線$\rm{bd}$ : 乾き飽和蒸気線 点$\rm{b}$ : 臨界点

蒸気の性質(2) 水蒸気状態量の基準点

知識・記憶レベル   難易度:
次の括弧内に入る適当な語句を答えよ. ただし$(b)$,$(c)$,$(d)$には数字を入れよ. 水(物質)の固体,液体,蒸気がつり合いを保つ温度,およびその圧力によって定まる状態点を$(\ a\ )$という.水の$(\ a\ )$は,温度$(\ b\ )$$\rm{K}$,圧力$(\ c\ )$$\rm{Pa}$で与えられる. 蒸気の状態量である比エンタルピー$h\,[\rm{kJ/kg}]$,および比エントロピー$s\,[\rm{kJ/(kg \cdot K)}]$は$(\ a\ )$における値を$(\ d\ )$としている.

解答例・解説

$(a)$ 三重点 $(b)$ $273.16$ $(c)$ $610.7$ $(d)$ $0$

蒸気の性質(3) 大気圧下での水の蒸発過程

理解レベル   難易度: ★★
標準大気状態のとき,次の値を蒸気表を用いて求めよ. $(1)$ 水がすべて蒸気になったときの体積は水の何倍か. $(2)$ 水の飽和温度$T_s$ $(3)$ 飽和水と乾き飽和蒸気の比エンタルピー$h'$,$h' '$と比エントロピー$s'$,$s' '$ $(4)$ 蒸発熱$r$

解答例・解説

$(1)$ 付表2より,圧力$0.101325$の値を読み, \[ v' = 0.00104344 \,\textrm{m}^3\textrm{/kg}, \ \ v' ' = 1.67330 \,\textrm{m}^3\textrm{/kg} \\ \therefore\frac{v' ' }{v'}= \frac{1.6733}{0.00104344} = 1604\,倍 \] $(2)$ 付表2より, \[ T_s=99.974^\circ \textrm{C} \] $(3)$ 付表2より, \[ h'=418.99\,\textrm{kJ/kg}\\ h' ' =2675.53\,\textrm{kJ/kg}\\ s'=1.30672\,\textrm{kJ/kg}\\ s' '=7.35439\,\textrm{kJ/kg} \] $(4)$ \[ r=h' ' - h' より \\ r=2256.54\,\textrm{kJ/kg} \]

蒸気の性質(4) 乾き度

知識・記憶レベル   難易度:
ある圧力$p$のもとで,比容積$v$の湿り蒸気がある. 圧力$p$における飽和液の比容積を$v'$,乾き飽和蒸気の比容積を$v' '$とするとき,この蒸気の乾き度$x$を表現せよ.

解答例・解説

\[ x=\frac{v-v'}{v' '-v'} \]

蒸気の性質(5) 蒸発潜熱

知識・記憶レベル   難易度:
ある圧力$p$における飽和液の比エンタルピーを$h'$,乾き飽和蒸気の比エンタルピーを$h' '$とするとき,この物質$1\,\rm{kg}$あたりの蒸発潜熱$r$を表現せよ.

解答例・解説

\[ r=h' '-h’ \]

蒸気の性質(6) 温度基準の飽和蒸気表

理解レベル   難易度: ★★
温度$200^\circ \rm{C}$の水の乾き度$x$が$0.5$のときの,$(\ 1\ )$比エンタルピー$h$と,$ (\ 2\ )$比エントロピー$s$を蒸気表を用いて求めよ.

解答例・解説

$(1)$ \[ \begin{equation} \left \{ \begin{array}{l} T_s=200^\circ \rm{C}\\ h' = 852.39 \,\rm{kJ/kg} & h' ' = 2792.06\,\rm{kJ/kg}\\ s' =2.33080 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)} & s' ' =6.43030 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)} \end{array} \right. \end{equation}\] \[ \begin{align} h &=(1-x)h' + xh' ' \\ &=0.5 \times 852.39+0.5 \times 2792.06 \\ \therefore &=1822.225 \,\rm{kJ/kg} \end{align} \] $(2)$ \[ \begin{align} s &=(1-x)s'+ xs' '\\ &=0.5 \times 2.33080 + 0.5 \times 6.43030 \\ &=4.38055 \,\rm{ kJ/(kg \cdot K)} \end{align} \]

蒸気の性質(7) 圧力基準の飽和蒸気表

理解レベル   難易度: ★★
圧力$1.0\,\rm{MPa}$,乾き度$x$が$0.8$のときの,$(\ 1\ )$比エンタルピー$h$と,$(\ 2\ )$比エントロピー$s$を蒸気表を用いて求めよ.

解答例・解説

$(1)$ \[\begin{equation} \left \{ \begin{array}{l} p_s=1.0 \,\rm{MPa} \\ h' = 762.68 \,\rm{kJ/kg} & h' ' = 2777.12\,\rm{kJ/kg}\\ s' =2.13843 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)} & s' ' =6.58498 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)} \end{array} \right. \end{equation}\] \[ \begin{align} h &=(1-x)h' + xh' ' \\ &=0.2 \times 762.68+0.8 \times 2777.12 \\ \therefore &=2374.232 \ \rm{kJ/kg} \end{align} \] $(2)$ \[ \begin{align} s &=(1-x)s'+ xs' '\\ &=0.2 \times 2.13843 + 0.8 \times 6.58498 \\ &=5.69567 \ \rm{kJ/(kg\cdot K)} \end{align} \]

蒸気の性質(8) 圧縮水と過熱蒸気の蒸気表

理解レベル   難易度: ★★
圧力$6\,\rm{MPa}$,温度$400^\circ\rm{C}$の蒸気の,$(\ 1\ )$比容積および,$(\ 2\ )$比内部エネルギーを蒸気表を用いて求めよ.

解答例・解説

付表3より $(1)$ \[ \therefore比容積 \ v=0.047423 \,\rm{ m^3/kg} \\ \] $(2)$ \begin{equation} \left \{ \begin{array}{l} h= 3178.18 \,\rm{ kJ/kg }\\ s= 6.5431 \,\rm{ kJ/(kg \cdot K)}\\ \end{array} \right. \end{equation} 比内部エネルギー$u$は \[ \begin{align} u &=h-p_v\\ &=3178.18 \times 10^3 + -6 \times 10^6 \times 0.047423\\ &=2.8936 \times 10^6 \,\rm{ J/kg}\\ \therefore &=2.894 \,\rm{MJ/kg} \end{align} \]

蒸気の性質(9) 内挿法

理解レベル   難易度: ★★
温度$8^\circ \rm{C}$の場合の比エンタルピー$h'$,$h' '$を蒸気表から求めよ.

解答例・解説

\[\begin{equation} \left \{ \begin{array}{l} T_s=5^\circ \rm{C}\\ h' = 21.02 \,\rm{kJ/kg} & h' ' = 2510.07 \,\rm{kJ/kg}\\ \end{array} \right. \end{equation}\] \[\begin{equation} \left \{ \begin{array}{l} T_s=10^\circ \rm{C}\\ h' = 42.02 \,\rm{kJ/kg} & h' ' = 2519.23 \,\rm{kJ/kg}\\ \end{array} \right. \end{equation}\] 内挿法により,$T_s=8^\circ \rm{C}$では, \[ \begin{align} h' &=21.02+\frac{42.02-21.02}{10-5}\times (8-5) \\ &=33.62 \,\rm{kJ/kg} \end{align} \] \[ \begin{align} h' ' &=2510.07+\frac{2519.23-2510.07}{10-5}\times (8-5) \\ &=2515.57 \,\rm{kJ/kg} \end{align} \]

蒸気の性質(10) 状態変化と蒸気表

理解レベル   難易度: ★★
蒸気表を利用して次の問いに答えよ. $(1)$ 圧力$0.8\,\rm{MPa}$,乾き度$0.6$の湿り蒸気がある. この蒸気の$(\ a\ )$飽和温度,$(\ b\ )$蒸発潜熱,$(\ c\ )$比容積,$(\ d\ )$比エンタルピー,$(\ e\ )$比エントロピー を求めよ. $(2)$ 密閉容器に封入されている$1.2\,\rm{MPa}$,乾き度$0.9$の蒸気を冷却して,圧力が$0.5\,\rm{MPa}$となったとき,蒸気の乾き度を求めよ. $(3)$ $1\,\rm{MPa}$,$100^\circ\rm{C}$(状態$1$)の水$5\,\rm{kg}$を定圧のもとで$500^\circ\rm{C}$(状態$2$)まで加熱した場合の,$(\ f\ )$状態$1$の比エンタルピー,$(\ g\ )$状態$2$の比エンタルピー,$(\ h\ )$加えた熱量を求めよ. $(4)$ 圧力$2\,\rm{MPa}$で温度$390^\circ\rm{C}$の過熱蒸気の比エンタルピーを求めよ.

解答例・解説

$(1)$ $(a)$ \[ 170.41^\circ \rm{C} \] $(b)$ \[ 2046.5\,\rm{kJ/(kg \cdot K)} \] $(c)$ \[ \begin{align} v &=v' +x(v' ' - v') \\ &=0.00111498 + 0.6 (0.240257 - 0.00111498) \\ &=0.144600 \end{align} \] \[ \therefore 0.1446\,\rm{m^3/kg} \] $(d)$ \[ \begin{align} h &=720.932 \times 0.6 \times (2046.5) \\ &=1948.8 \end{align} \] \[ \therefore 1949\,\rm{kJ/kg} \] $(e)$ \[ \begin{align} s &=2.04572+0.6 \times (6.65960-2.04572) \\ &=4.814 \end{align} \] \[ \therefore 4.814\,\rm{kJ/kg \cdot K} \] $(2)$ \[ \begin{align} v_1 &= v'_1 + x(v_1' ' - v_1') \\ &=0.00113858+0.9 \times (0.1632 - 0.001138580) \\ &=0.146994 \end{align} \] \[ \begin{align} x_2 &=\frac{v_1 - v'}{v' ' - v'} \\ &=\frac{0.146994 - 0.00109284}{0.374676-0.00109284} \\ &=0.3905 \end{align} \] $(3)$ $(f)$ \[ 419.7 \,\rm{kJ/kg} \] $(g)$ \[ 3478.3 \,\rm{kJ/kg} \] $(h)$  \[ \begin{align} Q &=m(h_2 - h_1) \\ &=5 \times (3478.2 - 419.7) \\ &=15292.5 \,\rm{kJ} \\ &=15.29 \,\rm{MJ} \end{align} \] $(4)$ \[ 3204.9 + \frac{3248.7 - 3204.9}{2}=3226.8\\ \\ \therefore 3227 \,\rm{kJ/kg} \]

蒸気の性質(11) 状態変化と蒸気線図(h-s線図)

理解レベル   難易度: ★★
モリエ線図($h--s$線図)を用いて次の問いに答えよ. $(1)$ 圧力$3 \rm{MPa}$で温度$400\rm{^\circ C}$の蒸気を状態$\rm{A}$とする. 状態$\rm{A}$の蒸気の比容積はおおよそどれくらいか答えよ. $(2)$ 状態$\rm{A}$の蒸気を密閉容器内で乾き飽和蒸気にまで冷却して状態$\rm{B}$とする. 状態Bの蒸気の比エンタルピーはおおよそどれくらいか答えよ. $(3)$ 状態$\rm{A}$の蒸気を$300\rm{^circ C}$まで断熱膨張させて状態$\rm{C}$とする. 状態$\rm{C}$の圧力はおおよそどれくらいか答えよ. $(4)$ 状態$\rm{C}$の蒸気をさらに断熱膨張させて乾き飽和蒸気にしたものを状態$\rm{D}$とする. 状態$\rm{D}$の蒸気の比容積はおおよそどれくらか答えよ. $(5)$ 状態$\rm{A}$(あるいは状態$\rm{C,D}$)の蒸気を圧力$0.05 \rm{MPa}$まで断熱膨張させて状態$\rm{E}$とする. 状態$\rm{E}$の蒸気の乾き度はおおよそどれくらいか答えよ.

解答例・解説

$(1)$  $0.1 \,\rm{m^3/kg}$ $(2)$  $2800 \,\rm{ kJ/kg}$ $(3)$  $1.5 \,\rm{ MPa}$ $(4)$  $0.5 \,\rm{m^3/kg}$ $(5)$  $0.9$

蒸気の性質(12) ランキンサイクル(構成)

知識・記憶レベル   難易度:
ランキンサイクルの機器構成を描き,構成される機器の名称を記せ.

解答例・解説

%=image:/media/2015/02/03/142289847198710800.png:

蒸気の性質(13) ランキンサイクル(T-s線図,理論熱効率)

適用レベル   難易度: ★★★
あるランキンサイクルのタービン入口の圧力は$10\,\rm{MPa}$,温度は$600^\circ\rm{C}$で,タービン出口の圧力は$0.1\,\rm{MPa}$である. 次の問いに答えよ. ただし,ランキンサイクルの$T--s$線図の概略を記して導出の過程が分かるように導出せよ. $(1)$ 理論熱効率を求めよ. $(2)$ 給水ポンプの仕事を無視した場合の理論熱効率を求めよ. %=image:/media/2015/02/03/142289570654618100.png:

解答例・解説

$\underline{State \ 1}$ \[\begin{equation} 飽和水\left \{ \begin{array}{l} \ p_s= 0.1\,\rm{MPa},\\ h_1=h' =417.44\,\rm{kJ/kg}& h' '=2674.95\,\rm{kJ/kg},\\ また,\\s_1=s'=1.30256 \,\rm{kJ/(kg\cdot K)}& s' '=7.35881 \,\rm{kJ/(kg\cdot K)}, \\ v_1=v' = 0.00104315 \,\rm{m^3/kg} \end{array} \right. \end{equation}\] $\underline{State \ 2}$ 給水ポンプの仕事$l_p$は \[ \begin{align} l_p=v_1(p_2-p_1) &=0.00104315 \times(10\times 10^6-0.1\times 10^6\\ &=10327.185 \,\rm{J/kg}\\ \end{align} \] \[ \begin{align} \therefore h_2=h_1+l_p &=417.44+10.327\\ &=427.767\,\rm{kJ/kg} \end{align} \] $\underline{State \ 5}$ \[\begin{equation} \left \{ \begin{array}{l} p_5=10\,\rm{MPa}, \\ T_5=600^\circ C, \\ h_5=3625.84\,\rm{kJ/kg}, \\ s_5= 6.9045\,\rm{kJ/(kg\cdot K)} \end{array} \right. \end{equation}\] \[ s_6=s_5=6.9045\,\rm{kJ/kg} \] $\underline{State \ 6}$ 乾き度$x$は \[ \begin{align} x &=\frac{6.9045-1.30256}{7.35881-1.30256} =0.92498 \end{align} \] \[ \begin{align} \therefore h_6 &=(1-x)h' +xh' '\\ &=(1-0.92498)\times 417.44+0.92498\times 2674.95\\ &=2505.59\,\rm{kJ/kg} \end{align} \] $(1)$ 理論熱効率 \[ \eta_{th}=\frac{h_5-h_6-(h_2-h_1)}{h_5-h_2}=0.347\\ \therefore 34.7 \% \] $(2)$ ポンプ仕事を無視した理論熱効率 \[ \eta_{th}=\frac{h_5-h_6}{h_5-h_1}=0.3491\\ \therefore 34.9 \% \]

蒸気の性質(14) 蒸気圧縮式冷凍サイクル(構成)

知識・記憶レベル   難易度:
蒸気圧縮式冷凍サイクルの機器構成を描き,構成される機器の名称,ならびにシステムの吸熱$q_2$と放熱$q_1$を記せ.

解答例・解説

%=image:/media/2015/02/03/142289863990369200.png:

蒸気の性質(15) 蒸気圧縮式冷凍サイクル(p-h線図)

知識・記憶レベル   難易度:
蒸気圧縮式冷凍サイクルの$p--h$線図の概略を描け. ただし,圧縮機入口の状態を$1$,圧縮機出口の状態を$2$,膨張弁入口の状態を$3$,膨張弁出口の状態を$4$としてサイクル線図上に記せ.

解答例・解説

%=image:/media/2015/02/03/142289893357120400.png:

蒸気の性質(16) 蒸気圧縮式冷凍サイクル(成績係数)

適用レベル   難易度: ★★★
$R134a$を冷媒とした蒸気圧縮サイクルを用いて外気が$2^\circ \rm{C}$であるとき,室内を$22^\circ\rm{C}$に保っている. 次の問いに答えよ. ただし,導出には$R134a$のモリエ線図を利用せよ. $(1)$ このときのヒートポンプの成績係数$COP_H$を求めよ. $(2)$ また,外気温度$22^\circ \rm{C}$に対して室内を$2^\circ \rm{C}$に保持するための冷凍機として用いる場合の成績係数$COP_R$を求めよ.

解答例・解説

\[\begin{equation} \left \{ \begin{array}{l} h_1=400\,\rm{kJ/kg} \\ h_2=413\,\rm{kJ/kg}\\ h_3=230\,\rm{kJ/kg} \\ h_4=230\,\rm{kJ/kg} \end{array} \right. \end{equation}\] $(1)$ \[ \begin{align} COP_H &=\frac{h_2-h_3}{h_2-h_1}\\ &=\frac{413-230}{413-400}\\ &=\frac{183}{13}\\ &=14.1 \end{align} \] $(2)$ \[ \begin{align} COP_R &=\frac{h_1-h_4}{h_2-h_1}\\ &=\frac{400-230}{413-400}\\ &=\frac{170}{13}\\ &=13.1 \end{align} \] $(2)$の別解 同一サイクルにおいて冷凍機の成績係数はヒートポンプの成績係数より1小さいので, \[ \begin{align} COP_R &=COP_H-1 \\ &=14.1-1 \\ &=13.1 \end{align} \]