適用レベル
難易度: ★★★
状態$1 \rightarrow 2 \rightarrow 3 \rightarrow 1$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.
\[\left(\begin{array}{}
1 \longrightarrow 2: 等温冷却(圧縮) \\
2 \longrightarrow 3: 等積加熱 \\
3 \longrightarrow 1: 断熱膨張
\end{array}\right.\]
状態1における温度$T_1 =300 \, \rm{K}$,圧力$p_1 = 100 \, \rm{kPa}$である.
また,状態2における比エントロピー$s_2 = 0 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)}$とする.
圧縮比$\frac{v_1}{v_2} = \frac{v_1}{v_3} = 12$として,次の問いに答えよ.
ただし,作動流体は完全ガスとし,ガス定数$R = 0.29 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)}$,定容比熱$c_v = 0.72 \,\rm{kJ/(kg \cdot K)}$とする.
$(1)$ 次の表を完成させよ.ただし,導出の過程(公式等)を明記せよ.
%=image:/media/2015/02/02/142287524763027700.png:
$(2)$ このサイクルの理論熱効率$\eta$を求めよ.
$(3)$ このサイクルの $p-v$ 線図と $T-s$ 線図を描け.
%=image:/media/2015/02/02/142287524866311400.png:
$(1)$
まず,比熱比$\kappa$を求める.
$\kappa = \frac{c_v + R}{c_v} = \frac{0.72 + 0.29}{0.72} = 1.4028 \\$
次に,各々の状態変化の過程を考慮して,
\[
v_1 = \frac{RT_1}{p_1} = \frac {0.29 \times 300}{100} = 0.37 \\
T_2 = T_1 + 300 \\
v_2 + \frac {v_1}{12} = 0.0725 \\
p_2 + \frac {RT_2}{v_2} = \frac{0.29 \times 300}{0.0725}=1200 \\
s_2 - s_1 = - R\ln \frac{p_2}{p_1} \ \Longrightarrow \ s_1 = s_2+ R\ln \frac{p_2}{p_1} = 0.29\ln 12 = 0.7206 \\
s_2 - s_1 = 12\ln \frac{v_2}{v_1} \ \Longrightarrow \ s_1 = s_2+ R\ln \frac{v_2}{v_1} = -0.29\ln \frac{1}{12} = 0.7206 \\
s_3 = s_1 =0.07206 \\
v_3 = v_2 = 0.0725 \\
p_3 = p_1 \left( \frac{v_1}{v_3} \right)^\kappa = 100 \times 12 ^{1.4028} = 3264.9…=3265 \\
T_3 = \frac{p_3 V_3}{R} = 816.2
\]
$(2)$
\[
q_{23} = c_v (T_3 -T_1) = 0.72 (816.6 - 300) = 371.75 =372 \\
q_{12} = \int_1^2 pdv = RT_1 \int_1^2 \frac {dv}{v} = RT_1\ln \frac{v_2}{v_1} = 0.29 \times 300 \times \ln \frac{1}{12} = -216.2 \\
\eta = \frac {q_{23}+q_{12}}{q_{23}} = 0.4187 = 41.9\%
\]
$(3)$
%=image:/media/2015/02/03/142289714382818900.png: