第4章 熱力学の基礎とその応用

平成19年度 エネルギ変換工学 第5&6回
各種サイクルの計算に関する基礎講義
教員:木下祥次
2015/9/30
エネルギ変換工学
1
4.7 サイクルにおける状態変化とその計算方法
4.7.1 状態変化を考えるため重要な基礎式
1)完全ガスの状態方程式
pv  RT
ただし,p:圧力,v:比容積,R:ガス定数,T:絶対温度。 または上式の全微分をとって
pdv  vdp  RdT
2)熱力学の第1法則
dq  du  dw (q:系に加えられる単位質量当たりのエネルギ)
または微小仕事dw=pdvを考慮して,第1法則は次のように書ける。
dq  du  pdv
(u:比内部エネルギ)
3)比エンタルピhの定義
h  u  pv
上式の全微分をとれば
dh  du  pdv  vdp  du  RdT
4)第1法則のエンタルピ表現
dq  dh  vdp
2015/9/30
エネルギ変換工学
2
4.7.1 状態変化を考えるため重要な基礎式
(その2)
5)等圧比熱Cp・等積比熱Cv
dh  C p dT , du  Cv dT
証明は次のスライド
6)比熱比κの定義
  C p Cv
7)作動流体がGkgである場合の扱い
Q  Gq , H  Gh , U  Gu , W  Gw , V  Gv
2015/9/30
エネルギ変換工学
3
4.7.2 等圧比熱と等積比熱
1.等圧比熱Cp
dh
 dq 
 dh  vdp 
Cp   


 dT  p const  dT  p const dT
∴
等積比熱測定
錘(可動)
dh  C p dT
2.等積比熱Cv
du
 dq 
 du  pdv 
Cv   


 dT  v const  dT  v const dT
∴
等圧比熱測定
ガス1kg
ガス1kg
温度
上昇
1℃
温度
上昇
1℃
供給熱量dq
供給熱量dq
du  Cv dT
3.CpとCvの関係
C p  Cv  R
dh  du  RdT
dh  C p dT
この関係を
証明せよ
du  Cv dT
C p dT  Cv dT  RdT
2015/9/30
エネルギ変換工学
4
比熱比κの定義と諸関係式
1.比熱比κの定義
  C p Cv
2.CpおよびCvとガス定数Rの関係
C p  Cv  R ; より比熱比   C p Cv を考慮すれば
Cv  Cv  R となり,整理すると
Cv  1  R
 Cv 
R
 1
同様にして,Cpは
R
 C P  C v 
 1
2015/9/30
R
Cp 
 1
エネルギ変換工学
5
4.7.3 各種状態変化の計算方法
1)等圧変化
2)等温変化
3)等積変化
4)断熱変化
5)ポリトロープ変化
圧力P
Pa
p
a
, va , Ta , u a , ha  
点aの状態
等圧変化(圧力p=一定)
等温変化(温度T=一定)
等
積
変
化
ポリトロープ変化(PV n=一定)
断熱変化(PV κ=一定)
このような各種状態変化にお
ける変化前後の状態量(圧
力・温度・比容積・内部エネル
ギ・エンタルピ,仕事・熱量な
ど)が計算できるようにする。
2015/9/30
Va
エネルギ変換工学
比容積V
6
(1)等圧変化
圧力がp=一定(dp=0)な状態変化である。
b
b
b
a
a
a
wab   dw   pdv  p  dv  p(vb  va )
 R(Tb  Ta ) 
  1 C

p
p (Tb  Ta )
p
, va , Ta , u a , ha 
q ab
点a
点b
a
Pa  Pb  P
 p , v ,T , u
一方,この変化を実現するために系に加え
るべき熱量qabはdp=0を考慮して
b
b
b
b
a
a
a
a
qab   dq   (dh  vdp)   dh   C p dT
 hb  ha  C p (Tb  Ta ) 
2015/9/30
R
(Tb  Ta )
 1
エネルギ変換工学
b
b
b
b
, hb 
仕事wab
v
va
vb
7
(2)等温変化
温度Tが一定に保たれる(dT=0)変化である 。
b1
RT
dv  RT a dv なぜならp=RT/v
v
v
vb
p
 pa , va , Ta , u a , ha 
 RT ln vb  ln va   RT ln
va
点a
b
b
b
wab  a dw  a pdv  a
系に加えるべき熱量qabはdT=0を考慮して
b
b
pa
Ta  Tb  T
qab
 pb , vb , Tb , ub , hb 
b
q ab  a dq  a (du  pdv)  a (Cv dT  pdv)
v
 a pdv  wab  RT ln b
va
仕事
wab
pb
b
va
点b
v
vb
このように,等温変化ではqab=wabとなり,系に加えたエネルギがすべて
外部仕事に変換できることがわかる。(だからカルノーサイクルは優秀な
のだ。)
2015/9/30
エネルギ変換工学
8
(3)等積変化
比容積vがv=一定(dv=0)な状態変化である。
b
b
a
a
p
wab   dw   pdv  0
pb
点b
系に加えるべき熱量qabはdv=0を考慮して
b
b
b
b
a
a
a
a
qab   dq   (du  pdv)   du   Cv dT
 u b  u a  C v (Tb  Ta ) 
R
(Tb  Ta )
 1
p
b
, vb , Tb , u b , hb 
qab 仕事wab=0
pa
点a
p
a
, va , Ta , u a , ha 
v
v a  vb  v
このように等積変化では外部にはなんら仕事が取り出されず,
加えたエネルギはすべて内部エネルギとして蓄えられる。
2015/9/30
エネルギ変換工学
9
(4)断熱変化
☆断熱変化とは圧力をP,比容積をVとするとき,q=一定またはdq=0とするよう
な状態変化である。具体的には次の式に従う状態変化である。 すなわち,
pv  C
断熱変化;第1の重要な関係式
p
点a,点bにこの関係を代入して



p
v
a
b


pa va  pb vb  C ∴ p   v 
b
 a
また,完全ガスの状態方程式p=RT/vであ
り,これを上式へ代入すれば,断熱変化の
別な表現として次式がえられる。
Tv k 1  C 
Ta va
k 1
 Tb vb
a
, va , Ta , u a , ha 
点a
pa
pvk=C
qab=0
 pb , vb , Tb , ub , hb 
点b
仕事Wab
pb
va
v
vb
(断熱変化,第2の重要な関係式)
 1
∴
Tb  v a 
  
Ta  vb 
 1
課題:断熱変化をPとTで表し,第3の関
エネルギ変換工学 解答:
係式を作れ。
2015/9/30
p
P1 T   C 
10
(4)断熱変化(続き)
☆系に加えられる熱量は当然のことながらqab=0である。
☆つぎに,点aから点bへの断熱変化において,系がなす仕事wabは,圧力pが
p  C v
で与えられることを考慮すれば,
b
b
b C
b
wab   dw   pdv   k dv  C  v - dv
a
a
a v
a

 
C 1
v
1 
b
a


1
1
1
Cvb  Cva
1 

p
p
a
, va , Ta , u a , ha 
点a
pa
pvk=C
qab=0
 pb , vb , Tb , ub , hb 
ここで定数Cは,a,b点の状態量が


点b
paVa  pb vb  C
で与えられることを考慮すれば,
wab 

仕事Wab
pb
va
v
vb

1
1
 1
 1
 pa va  pb vb   R Ta  Tb 
pb vb vb  pa va va

1 
k 1
 1
 Cv (Ta  Tb )
2015/9/30
なんと、断熱変化における仕事は等積比熱に2点間の温
エネルギ変換工学
度差をかければよいのだ。
11
(5)ポリトロープ変化
★最後に,ポリトロープ変化とは圧力と比容積がつぎの指数関係で結ばれる変化で
ある。すなわち,
(4.34)
n
pv  C
ここで,式(4.34)の指数nをポリトロープ指数という。このポリトロープ指数を用い
れば,今までに解説した1)から4)の各種状態変化は,つぎのように指数の値に
よって一般化できる。すなわち,ポリトロープ指数nに対して,
n=0:(等圧変化),n=1:(等温変化)
n=κ:(断熱変化),n=∞:(等積変化)
★4.7.3 各種状態変化の研究課題
1.断熱変化の状態方程式が Pv  const で与えられることを,熱力学の第1法則,
比熱比κならびに比エンタルピhなどを用いて証明せよ。
2015/9/30
エネルギ変換工学
12
(6)各種状態変化に伴う2点間の関係式
1.等圧変化(dP=0)の場合: VV  TT
2.等積変化(dV=0)の場合: PP  TT
3.等温変化(dT=0)の場合: PP  VV
4.断熱変化(dq=0またはds=0)の場合
P V 
 
1) P V  P V  C から
P  V 
2) T V  T V  C から TT   VV 
 
3) P T  P T  C から T   P 
b
b
a
a
b
b
a
a
b
a
a
b


a

a
b b
 1
a
1 
a
a
2015/9/30
a
a
b
b
a
a
b
1
 1
 1
a
b
b b
1 
b
b
2
1  / 
3
b
Ta
a
 Pb 
エネルギ変換工学
13
4.8 サイクルの熱効率
4.8.1 サイクルの熱効率の定義
入熱-出熱 作動流体がした正味仕 事


入熱
入熱
Q2
W Q1-Q2


1-
Q1
Q1
Q1
ただし,熱効率の計算で,上式を使用する
場合は,熱量,入熱Q1>0,出熱Q2>0。
つまり,いずれも正にとるので注意す
ること。
p
Q1
C
p=f1(V)
B
Q2
正味仕事W
A
p=f2(V)
D
V
2015/9/30
エネルギ変換工学
14
4.8.2 サイクルの紹介と熱効率の計算
A
p
QAB
爆
発
Q1
B
断熱圧縮
D
p
等温変化T=T1
正味仕事W
C
正味仕事W
膨張
断熱膨張
D
E
圧縮
排
気
C
等温変化T=T2
吸入
A
QCD
B
v
v
オットーサイクル
カルノーサイクル
p
Q1
Q1DE
p
D
C
D
正味仕事W
爆
発
E
正味仕事W
Q1CD
C
爆
発
膨張
A
吸入
膨張
F
E
圧縮
圧縮
Q2
排
B 気
A
吸入
v
2015/9/30
Q2
ディーゼルサイクル
Q2
排
B 気
v
エネルギ変換工学
サバテサイクル
15
1)カルノーサイクル(Carnot cycle)
A→B:等温膨張変化(温度一定)
B→C:断熱膨張変化
C→D:等温圧縮変化(温度一定)
D→A:断熱圧縮変化
ここで,温度はT1>T2である。また各点の状
態量 ( p, v, u, h,T ) はつぎのようになる。
点A:( p , v , u , h ,T  T  T )
点B:( p , v , u , h ,T  T  T )
点C:( p , v , u , h ,T  T  T )
点D:( p , v , u , h ,T  T  T )
A
A
A
A
A
B
1
B
B
B
B
B
A
1
C
C
C
C
C
D
2
D
D
D
D
C
2
D
p
A
等温変化T=T1
QAB
B
断熱圧縮
正味仕事W
D
等温変化T=T2
断熱膨張
C
QCD
v
☆カルノーサイクルの熱効率
T2
  1
T1
2015/9/30
重要:あとで証明しましょう。
エネルギ変換工学
16
2)オットーサイクル(Otto cycle)
A→B:吸入行程,B→C:圧縮行程
C→D:爆発行程,D→E:膨張行程
E→B:排気行程,B→A:排気行程
このとき,点Aから出発し点Aへと戻るこのサ
イクルの状態変化は,
A→B:等圧膨張変化,B→C:断熱圧縮変化
C→D:等積加圧変化,D→E:断熱膨張変化
E→B:等積減圧変化,B→A:等圧圧縮変化
と呼ばれる。さらに,各点の状態量,すなわち,
圧力,比容積,比内部エネルギ,比エンタルピ
および絶対温度など)は1)で示したカルノー
サイクルと同様に表記される。
★オットーサイクルの熱効率
  1
2015/9/30
1

 1
D
p
Q1
圧縮比 
爆
発
正味仕事W
C
膨張
E
圧縮
排
気
A
吸入
Q2
B
v
ピストン下死点時の体 積 V B V E


ピストン上死点時の体 積 V C V D
重要,各自で証明してください。
エネルギ変換工学
17
3)冷凍機の成績係数
(coefficient of performance)COP
☆冷凍機は図に示すように,低温側の
熱量を汲み上げ,高温側に熱量を捨
てる。そこで,冷凍機では前述の熱効
率に相当する成績係数COPをつぎの
ように定義する。
COP 
p
低温側から汲み上げた 熱量
サイクルに使用された 仕事量

Q2
Q2

W Q1  Q2
Q1
C
p=f1(V)
B
正味仕事
W
A
p=f2(V)
D Q
2
V
☆4.8.2 カルノーサイクルの熱効率の研究課題
☆4.8.2オットーサイクルの熱効率の研究課題
配布資料に沿って各自解答すること。
2015/9/30
エネルギ変換工学
18
☆4.8.3 各種サイクルの研究課題
1.高温側熱源が1000℃,低温側熱源が20℃で作動
するカルノーサイクルの理論熱効率はいくらとなる
か。
2.圧縮比がε=12で設計されたガソリンエンジンを運
転させたとき,熱効率はいくらと推定されるか。ただ
し,比熱比はκ=1.4と仮定する。
3.カルノーサイクルを理論的に実現する方法を調査・
研究せよ。またそのサイクルが実現不可能なことを
工学的観点から考察せよ。
2015/9/30
エネルギ変換工学
19
4.9 エントロピ
比エントロピdsの定義
ds 
dq
T
全エントロピS
dS  Gds  G
J /(kg  K )
p
等温変化 Ta  Tb
Q
Ta  Tb
点b
点a
点b( p b , vb , Tb , s b )
pb
(J / K )
T
点a ( p a , va , Ta , s a )
pa
dq dQ

T
T
入熱
Q=W
正味仕事W
v
va
2015/9/30
vb
エネルギ変換工学
s
sa
sb
20
4.10 P-V線図,T-V線図,T-S線図(その1)
4.10 各種線図について
ここでは,各種状態変化を,図に表すことを学習する。具体的には,P-V線図,T-V線図,T-S線図を書けるようにすることが学習の目的である。以下,考え方と,
その線図を参考に理解を深めること。
4.10.1 P―V線図
1)等圧変化(P=一定)
圧力がp=一定であるから,等圧変化は横軸vに平行な線で表され,比容積vの変化には依存しない。
2)等温変化(T=一定)
pv=RTより,圧力はp=RT/vとなる。ここで。ガス定数Rと温度Tが一定であるから,定数RT=Cとおけば,p=C/vとなる。したがって,圧力pは比容積vに反
比例した線(双曲線)で表される。
3)等積変化(v=一定)
比容積がv=一定であるから,等積変化は縦軸の圧力pに平行な線で表され,圧力pの変化には依存しない。
4)断熱変化(pvκ=一定)
断熱変化の状態方程式pvκ=一定より,圧力はp=C/vκ)と表され,圧力pはC/vκで減少する。
4.10.2 T―V線図
1)等圧変化(P=一定)
圧力がp=一定であるから, pv=RTより,縦軸の温度Tに対しT=pv/Rとなり,等圧変化では横軸vに対してP/Vの傾きを持った直線となる。
2)等温変化(T=一定)
縦軸の温度Tが一定であるから,横軸の比容積vに平行な直線となる。
3)等積変化(v=一定)
比容積がv=一定であるから,等積変化は縦軸の温度Tに平行な直線となる。
4)断熱変化(pvκ=一定)
断熱変化の別表現による状態方程式,Tvκ-1=一定より,T=C/vκ-1と表され,温度TはC/vκ-1で減少する。
4.10.3 T―S線図
エントロピSの定義式に忠実に考える。すなわち,エントロピの定義はdS=dq/Tである。
1)等圧変化(P=一定)
熱力学の第一法則からエンタルピーをhとすれば,加えた熱量dqはdq=dh-vdpであり,圧力がp=一定であるからvdp=0であり,dq=dh=CpdTとなる。したがっ
て,エンタルピ変化s2-s1は,となり,等圧変化をT―S上にプロットすれば,温度の比(T2/T1)に依存して指数関数的に増加,または減少する。
2)等温変化(T=一定)
温度T=一定であるから,等温変化は縦軸のエントロピに平行な直線で表され,エントロピ変化s2-s1には依存しない。
3)等積変化(v=一定)
比容積がv=一定であるから 熱力学の第一法則から内部エネルギをuとすれば,加えた熱量dqはdq=du+pdvであり,比容積vがv=一定であるからpdv=
0であり,dq=du=CvdTとなる。したがって,エンタルピ変化s2-s1は,となり,等積変化をT―S上にプロットすれば,圧力または温度の比(T2/T1)に依存して
指数関数的に増加,または減少する。
4)断熱変化(pvκ=一定)
断熱変化の状態方程式(dq=0)より,これをエントロピの定義式に代入して,
dq=Tds=0,∴ds=0,エンタルピ変化=0,s=一定,となる。
2015/9/30
エネルギ変換工学
21
4.10 P-V線図,T-V線図,T-S線図(その2)
P
P1  P2
1.P-V線図の書き方
1
2 等圧変化
3 等温変化
P4  P5  P6
T
6 等圧変化
4 断熱変化
5 等積変化
V1  V5
T
演習問題
1)カルノーサイクルをP-V,T-V,T-S線図上に描け。
2)オットーサイクルをP-V,T-V,T-S線図上に描け。
3)ディーゼルサイクルをP-V,T-V,T-S線図上に描け。
4)サバテサイクルをP-V,T-V,T-S線図上に描け。
V2 V3 V4 V6
V
T
2.T-V線図の書き方
3.T-S線図の書き方
2 等圧変化
2
2 等圧変化
T2  T1e  S 2  S1  / C P  0
T1  T3
1
1
3 等温変化
3 等温変化
5 等積変化
4 断熱変化
T4  T6
4 断熱変化
6 等圧変化
5 等積変化
V1  V5
2015/9/30
6 等圧変化
V2 V3 V4 V6
V
S5
エネルギ変換工学
S1  S 4  S 6
T5
S 2  S3 S
22
4.10 P-V線図,T-V線図,T-S線図(その3)
1)カルノーサイクル
A
p
等温変化T=T1
QAB
B
断熱圧縮
正味仕事W
D
断熱膨張
C
等温変化T=T2
QCD
v
T
A
D
2015/9/30
T
B
C
エネルギ変換工学
v
A
B
D
C
S
23
4.10 P-V線図,T-V線図,T-S線図(その4)
2)オットーサイクル
p
D
q2
C
E
q3
A
T
q 4   q1
q1
B
v
D
D
T
E
C
C
E
B
B
A
2015/9/30
A
v
エネルギ変換工学
s
24
第4章 総合演習問題 (その1)
ガス定数
1.圧力200kPa,温度40℃の状態にある酸素の比容積はいくらか。ただし,酸素は理想気体とみなし,酸素
のガス定数はとする。
(解答:0.407m3/kg)
2.ある気体1kgは,圧力101.325kpa(1標準大気圧),温度30℃の状態で,0.8m3の体積を占める。この気
体のガス定数はいくらか。
(解答:0.267KJ/(kg・K)
等圧比熱・等積比熱
3.ある理想気体1kgを容積一定のもとに,20℃から100℃まで加熱するのに837.2KJを要した。この気体の
分子量を2として,等積比熱,等圧比熱を求めよ。
(解答:Cv=10.5kJ/kg・k),Cp=14.7kJ/kg・K)
4.空気10kgを20℃から800℃まで圧力一定のもとで加熱する場合,
(1)必要な熱量
(解答:1872kcal)
(2)内部エネルギの変化
(解答:1334kcal)
(3)エンタルピの変化
(解答:1872kcal)
を求めよ。ただし,空気を理想気体とみなし,等圧比熱はCp=0.24(kcal/(kg・K)),等積比熱Cv=0.171
(kcal/(kg・K))として計算すること。
5.ある理想気体が2m3のタンクに,圧力200kPa,温度20℃の状態で入れられている。
この気体の圧力を340kPaまで上げるにはどれほど熱量を加えなければならないか。ただし,
この気体のガス定数をR=0.46(kJ/(kg・K)),等積比熱をCv=1.40(kJ/(kg・K))とする。
(解答:852kJ)
2015/9/30
エネルギ変換工学
25
第4章 総合演習問題 (その2)
理想気体の各種状態変化
6.一定容積2000リットルのタンクに圧力2kgf/cm2,温度0℃の空気が入っている。この空気の重量を求めなさい。また,この空気を
60℃に加熱する場合の圧力の増加および加熱に要する熱量は何kcalか。ただし,空気は理想気体とみなし,ガス定数および等積
比熱はそれぞれ,R=29.27kgf・m/(kg・K),Cv=0.171kcal/(kgf・K)とする。
(解答:空気の重量=5kgf,圧力の増加=0.44kgf/cm2,加熱量=51.3kcal)
7.一定容積500リットルのタンクに圧力300kpa,温度120℃の酸素が入っている。この酸素から,40kJの熱量を取り去ったら圧力は
いくらになるか。ただし、酸素のガス定数はR=0.2598(kJ/(kg/K))とする。
(解答:268kPa)
8.空気2kgを,圧力400kPa,温度の状態から,等圧のもとで容積が1/2になるまでの加熱に要する熱量はいくらか。ただし,空気の等
圧比熱はCp=0.837kJ/(kg・K)とする。
(解答:-675.4kJ)
3
3
9.初め容積1m ,温度25℃の状態のある気体を,等圧のもとで4m に膨張させるにはいくらの熱量を加えればよいか。またこの変
化によって,この気体がする仕事量はいくらか。ただし,気体の等圧比熱はCp=0.837kJ/(Kg・K),ガス定数は
R=0.2943kJ/(kg・K)とする。
(解答:263.1kJ)
10.空気5kgを,圧力200kPa,温度27℃の状態から,温度一定のもとに,圧力1MPaまで圧縮するのに必要な仕事量を求めよ。ただ
し,空気のガス定数はR=0.2871kJ/(kg・K)とする。
(解答:-693kJ)
3
11.ある理想気体が,圧力1MPa,容積0.1m の状態から,等温膨張によって,容積が4倍になった。膨張後の圧力,この気体が外部
になした仕事および外部から供給された熱量はそれぞれいくらか。
(解答:膨張後の圧力=250kPa,仕事量=138.6kJ,熱量=138.6kJ)
2
3
12.重さ1kgfの空気を,圧力1kgf/cm ,容積2.0m の状態から,断熱的に圧力20kgf/cm2まで圧縮するのに必要な仕事量を求めよ。
ただし,空気の比熱比はκ=1.4とする。
(解答:-46500kgf・m)
2
3
2
13.圧力2kgf/cm ,容積0.86m ,温度20℃の空気を,圧力20kgf/cm になるまで断熱圧縮させた場合について以下を求めよ。ただ
し,空気の比熱比はκ=1.4、ガス定数はR=29.27kgf・m/(kgf・K)とする。
(1)使用している空気の重量
(解答:2.01kgf)
(2)断熱変化後の容積
(解答:0.166m3)
(3)断熱変化後の温度
(解答:567K,292℃)
(4)断熱変化による仕事量
(解答:-40000kgf・m)
(5)内部エネルギの変化量
(解答:93.7kcal)
2015/9/30
エネルギ変換工学
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