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【2019年・熱力学】国家公務員試験総合職(大卒程度)工学 専門記述試験解答

(1)

(a)

 \displaystyle Q_1=mRT_2\ln \frac{V_3}{V_2}

(b)

 \displaystyle |Q_2|=mRT_1\ln \frac{V_1}{V_4}

(c)

 (P, V, T) (P+\Delta P, V+\Delta V, T + \Delta T)に変化したとき,ボイルシャルルの法則より,

 PV = mRT

 (P+\Delta P)(V+\Delta V)=mR(T + \Delta T)

よって, \Delta P \Delta Vの項を無視すると,

 P\Delta V + V\Delta P = mR\Delta T

等温条件での熱力学第一法則より,

 \displaystyle -PdV = mC_vdT = \frac{mC_v}{mR}(PdV + VdP)

 \displaystyle \frac{dP}{P} + \frac{C_v+R}{C_v}\frac{dV}{V}=0

  \displaystyle \frac{dP}{P} + \kappa \frac{dV}{V}=0

この微分方程式を解くと,

 PV^\kappa =(一定)

(d)

ポアソン法則より,

 T_1V_1^{\kappa -1} = T_2V_2^{\kappa -1}

 T_3V_3^{\kappa -1} = T_4V_4^{\kappa -1}

 T_1=T_4, T_2=T_3より,

  \displaystyle \frac{T_1}{T_2} = \frac{V_2}{V_1} = \frac{V_3}{V_4}

(e)

  \displaystyle \eta = 1 -\frac{Q_1}{|Q_2|}

(d)より, \displaystyle \frac{V_3}{V_2} = \frac{V_1}{V_4}だから,   \displaystyle \eta = 1- \frac{T_2}{T_1}

(f)

  \displaystyle \frac{|Q_2|}{Q_1-|Q_2|} = \frac{T_2}{T_1-T_2}

(2)

(a)

 \displaystyle T_2 = T_1\varepsilon^{\kappa -1}

 T_3 = T_2\sigma = T_1\varepsilon^{\kappa-1}\sigma

 \displaystyle T_4 = \left(\frac{V_3}{V_4}\right)^{\kappa -1 }T_3 = \left(\frac{\sigma}{\varepsilon}\right)^{\kappa - 1}T_1\varepsilon^{\kappa -1 } \sigma = T_1\sigma^\kappa

(b)

 Q_1=mC_v\kappa\varepsilon^{\kappa -1}(\sigma - 1)T_1

 |Q_2| = mC_v(\sigma^\kappa -1)T_1

(c)

 W = -mC_v\varepsilon^{\kappa -1}(\sigma -1)T_1

 + mC_v(\kappa -1)(\varepsilon^{\kappa -1}-1)T_1

  +
mC_v(\sigma^{\kappa} - \varepsilon^{\kappa -1}\sigma)T_1

(d)

 \displaystyle \eta_d = 1- \frac{\sigma^\kappa -1 }{\kappa\varepsilon^{\kappa -1 }(\sigma -1 )}

(e)

 \displaystyle \eta_c = 1 -\frac{mC_v(T_4-T_1)}{mC_v(T_3-T_2)} = \frac{T_1\left( \displaystyle  \frac{T_4}{T_1}-1\right)}{T_2\left( \displaystyle  \frac{T_3}{T_2} -1 \right)}

ここで, \displaystyle  \frac{T_2}{T_1}=\left( \frac{V_1}{V_2} \right)^{\kappa-1} = \frac{T_3}{T_4}より,

 \displaystyle \eta_c = 1 - \frac{1}{\varepsilon^{\kappa -1}}

(f)

図は略

 \sigma \rightarrow 1にすればよい。

(3)

(a)

(i)

 \displaystyle \frac{9}{16}=0.5625 \simeq 0.563

(ii)

 \displaystyle X_{\mathrm{He}} = \frac{4}{9}\times10^ 2  [\mathrm{kPa} ]

 \displaystyle X_{\mathrm{O_2}} = \frac{1}{9}\times10^ 2 \ [\mathrm{kPa} ]

 \displaystyle X_{\mathrm{N_2}} = \frac{4}{9}\times10^ 2 \ [\mathrm{kPa} ]

(iii)

 1.78 \ [\mathrm{kg/kmol} ]

(iv)

 R=467.44 \cdots \simeq 467 \ [\mathrm{kJ/(kg\cdot K)} ]

(v)

 V_1 = 14.02 \cdots \simeq 14.0 \ [\mathrm{m^ 3} ]

(b)

(i)

  T_2=1.20 \times 10^ 3 \ [\mathrm{K} ]

(ii)

 V_3 = 28.0 \ [\mathrm{m^ 3} ]

(iii)

 W_{12} = -21.0 \times 10^ 2 \ [\mathrm{kJ} ]

 W_{23}=-63.09 \times 10^ 5 \simeq -63.1 \times 10^ 2 \ [\mathrm{kJ} ]

(iv)

 Q_{13} = 421 \ [\mathrm{MJ} ]

(v)

等圧条件で熱力学第一法則より,

 mC_p\Delta T = mC_v\Delta T + mR\Delta T

 C_p = C_v + R

(vi)

等圧または等積過程ではエントロピーと温度が正の比例関係にあるから。

定圧条件で,   \displaystyle \Delta S = C_p \ln \frac{T_ {あと}}{T_ {はじめ}}

  \displaystyle T_{あと} = T_{はじめ}\exp \left(\frac{\Delta S}{C_p} \right)

 \displaystyle  \frac{dT}{dS} = T_{はじめ}\frac{\Delta S}{C_p} \exp \left(\frac{\Delta S}{C_p} \right)

定積条件で,

  \displaystyle \Delta S = C_v \ln \frac{T_ {あと}}{T_ {はじめ}}

  \displaystyle T_{あと} = T_{はじめ}\exp \left(\frac{\Delta S}{C_v} \right)

  \displaystyle \frac{dT}{dS} = T_{はじめ} \frac{\Delta S}{C_v} \exp \left(\frac{\Delta S}{C_v} \right)

 C_p > C_vだから,示された。

(vii)