適用レベル
難易度: ★★★
比熱比$\kappa=1.4$,ガス定数$R= 0.287 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)}$の理想気体$0.1\,\rm{kg}$が断熱膨張する.
初めの容積$V_1= 0.02\,\rm{m^3}$,圧力$p_1=0.6\,\rm{MPa}$であり,終わりの圧力が$p_2=0.1\,\rm{MPa}$となった.
次の問いに答えよ。
ただし,端数については有効数字$4$桁とせよ.
$(1)$
外部にした工業仕事$L_{12}$を求めよ.
$(2)$
絶対仕事$W_{12}$を求めよ.
$(3)$
温度低下$\Delta T= T_1 - T_2$を求めよ.
ヒント : $T_2= T_1 \left( \frac{p_2}{p_1} \right)^{\frac{\kappa-1}{\kappa}} $
$(1)$
\[
\begin{align}
L_{12}
&= \frac{1.4}{0.4} \times 0.6 \times 10^6 \times 0.02 \times \left\{ 1-\left( \frac{0.1}{0.6} \right)^{\frac{0.4}{1.4}} \right\} \\
&= \frac{1.4}{0.4} \times 0.6 \times 10^6 \times 0.02 \times \left( 1-0.589337 \right) \\
&=16827.8 \\
\therefore
&=16.83 \ \rm{kJ}
\end{align}
\]
$(2)$
\[
\begin{align}
W_{12}
&= \frac{L_{12}}{\kappa}\\
&= \frac{16827.8}{1.4} \\
\therefore
&=12.02 \ \rm{kJ}
\end{align}
\]
$(3)$
\[
\begin{align}
T_{1}
&= \frac{p_1 V_1}{mR} \\
&= \frac{0.6 \times 10^6 \times 0.02}{0.1 \times 0.287 \times 1000} \\
&=418.118 \\
&=418.12 \ \rm{K}
\end{align}
\]
\[
\begin{align}
T_{2}
&= T_1\left( \frac{p_2}{p_1} \right)^{\frac{\kappa-1}{\kappa}} \\
&= 418.12 \left( \frac{1}{6} \right)^{\frac{0.4}{1.4}} \\
&=250.59 \ \rm{K}
\end{align}
\]
\[
\therefore
\Delta T = T_1 - T_2 = 167.8 \ \rm{K}
\]