科目
熱力学
章
状態変化
図番
05 / 14
内容
シミュレータ・例題3問
熱力学 5 / 14

押し縮めるだけで、27℃ が 416℃ に断熱変化

熱を逃がさずに空気を体積 1/8 に押し縮めると、圧力は 18.4倍、温度は 27℃ から 416℃ に上がる(等温なら 8倍・27℃ のまま)。押し込んだ仕事に出口がなく、全部が温度に入るから。ディーゼルエンジンが火花なしで軽油を燃やせるのは、このため。

自転車の空気入れのハンドルを両手が押し下げていて、筒の下のほうから温かさを示す黄土色の線が立ちのぼっている
このページの内容
  1. 自転車の空気入れは、なぜ熱くなる?
  2. 公式はこれ
  3. 家計簿で読む
  4. 温度が上がると、圧力はもっと上がる
  5. 公式を、かたまりに分けて読む
  6. どの数字がいちばん効く?
  7. ディーゼルエンジンに戻る
  8. 実際の圧縮機は、等温と断熱の間
  9. 動かしてみよう
  10. よくある勘違い
  11. この公式が使える条件
  12. 例題

この単元のポイント

  1. 熱を逃がさずに空気を体積 1/8 に押し縮めると、圧力は 18.4倍、温度は 27℃ → 416℃。ゆっくり押して温度が変わらないとき(等温)は、8倍・27℃ のまま。
  2. 押し込んだ仕事に、熱としての出口がない。だから仕事が全部、温度を上げる分に入る。ディーゼルエンジン(圧縮比 15.6 の例)では 628℃ になり、軽油が火花なしで燃え出す(目安 約 240℃)。
  3. 実際の圧縮機は、少し熱が逃げるので、等温と断熱の間(指数 n\sntN ≈ 1.3)。20℃ の空気を圧力 8倍にすると、吐き出す空気は約 200℃(断熱なら 258℃)。

自転車の空気入れは、なぜ熱くなる?

自転車のタイヤに、空気入れで空気を入れます。何十回も続けて押したあと、筒の下のほうを手で握ると、温かくなっています。

ピストンが筒にこすれる熱も少しはあります。でも、おもな理由は、中の空気そのものが温まることです。空気は、勢いよく押し縮めると温度が上がります。

この温まり方を、数字で確かめます。27℃ の空気を、熱が逃げるひまがないほど速く押して、体積を 8分の1 にします。空気の温度は何℃になるでしょうか。

予想してから読む27℃ の空気を、熱が逃げないように体積 1/8 まで押し縮めると、温度は?

公式はこれ

熱の出入りが無い変化を断熱変化といいます。体積を 1/ε\sntEps に押し縮めたときの、終わりの温度と圧力は、

T2=T1 ε κ−1,p2=p1 ε κ\sntTTwo = \sntTOne\,\sntEps^{\,\sntKappa - 1}, \qquad \sntPTwo = \sntPOne\,\sntEps^{\,\sntKappa}
記号 意味 この単元の空気で
T1\sntTOne・T2\sntTTwo 初めと終わりの温度(絶対温度 [K]) 300 K(27℃)→ 690 K(416℃)
p1\sntPOne・p2\sntPTwo 初めと終わりの圧力(絶対圧) 101 kPa → 1.86 MPa
ε\sntEps 圧縮比(初めの体積 ÷ 終わりの体積) 8
κ\sntKappa 比熱比(空気は 1.4) 1.4

温度は 300×80.4=300×2.30=690 K300 \times 8^{0.4} = 300 \times 2.30 = 690\ \mathrm{K}。℃ に直すと 416℃ です。圧力は 81.4=18.48^{1.4} = 18.4 倍の 1.86 MPa です。

式の中の温度は、いつも絶対温度です。27℃ のまま 8 をかけると 216℃ になりますが、これは誤りです。

家計簿で読む

熱と仕事(第一法則) の単元で、エネルギーの勘定を家計簿にたとえました。入ってきたエネルギーは、中にためる分と、外へ出す分に分かれます。

家計簿(この科目を通す決まり)

エネルギーは消えも生まれもしない。入ってきた分 = 中にためた分 + 外へ出した分。

ピストンで空気を押し縮めるとき、入ってくるのは、押し込む仕事 W\sdnWin です。これが、中にためる分(内部エネルギーの増え ΔU\sntDU)と、外へ出す熱 Q出\sdnQout に分かれます。

W⏟押し込んだ仕事=ΔU⏟温度を上げる分+Q出⏟外へ出た熱\underbrace{\sdnWin}_{\text{押し込んだ仕事}} = \underbrace{\sntDU}_{\text{温度を上げる分}} + \underbrace{\sdnQout}_{\text{外へ出た熱}}

ゆっくり押すと、空気は筒の壁を通して、熱を外へ出します。押し込んだ仕事と同じだけ熱を出すと、ためる分は 0 で、温度は変わりません。これが等温変化です。

速く押すと、熱が出ていくひまがありません。熱の出口が無いので、押し込んだ仕事は全部、ためる側に入ります。空気の内部エネルギーは温度で決まるので、温度が上がります。

この単元の空気(27℃・101 kPa・500 cc)を、断熱で 1/8 に押し縮めると、押し込む仕事は 164 J です。そのまま 164 J が温度を上げる分になり、外へ出る熱は 0 J です。等温で押したときの仕事は 105 J で、全部が熱として出ていきます。

温度が上がると、圧力はもっと上がる

等温なら、体積 1/8 で圧力は 8倍でした。断熱では 18.4倍です。差はどこから来るのでしょうか。

状態式 pV=mRTpV = mRT で考えます。圧力は、体積に反比例し、絶対温度に比例します。

p2p1=V1V2⏟体積 1/8 で 8 倍×T2T1⏟温度で 2.30 倍=8×2.30=18.4\dfrac{\sntPTwo}{\sntPOne} = \underbrace{\dfrac{\sntVOne}{V_2}}_{\text{体積 1/8 で}\ 8\ \text{倍}} \times \underbrace{\dfrac{\sntTTwo}{\sntTOne}}_{\text{温度で}\ 2.30\ \text{倍}} = 8 \times 2.30 = 18.4

押し縮めた分で 8倍、熱くなった分で、さらに 2.30倍です。熱くなった空気は、同じ体積でも強く押し返します。だから、断熱で押すほうが重く、押し込む仕事も大きくなります(164 J と 105 J)。

公式を、かたまりに分けて読む

T2=T1⏟初めの絶対温度×ε κ−1⏟押し縮めた効き目\sntTTwo = \underbrace{\sntTOne}_{\text{初めの絶対温度}} \times \underbrace{\sntEps^{\,\sntKappa - 1}}_{\text{押し縮めた効き目}}
  1. 初めの絶対温度 T1\sntTOne 終わりの温度は、初めの絶対温度に比例します。冷たい空気から始めれば、終わりも低くなります。
  2. 押し縮めた効き目 ε κ−1\sntEps^{\,\sntKappa - 1} 空気では指数が 0.4 です。圧縮比 8 で 2.30倍、16 で 3.03倍、18 で 3.18倍。圧縮比を 2倍にしても、温度は 2倍にはなりません。

指数の 0.4 は、κ−1=R/cv=287/717.5\sntKappa - 1 = \sntR/\sntCv = 287/717.5 です。押し込んだ仕事のうち、どれだけが温度に回るかを決める数です(導き方は下の「式の導き方」)。

どの数字がいちばん効く?

初期値(27℃・101 kPa・500 cc を 1/8 に断熱)から、1つずつ変えたときの、終わりの温度の変化です。

変えるもの 終わりの温度 変化
圧縮比 ε\sntEps を10%大きく(8 → 8.8) 443℃ +27 K(絶対温度で +3.9%)
初めの絶対温度を10%高く(300 K → 330 K、57℃) 485℃ +69 K(+10%)
初めの圧力 p1\sntPOne を10%高く 416℃ 変わらない(圧力が +10%)
初めの体積 V1\sntVOne を10%大きく 416℃ 変わらない(仕事が +10%)

10% 変えたときは、初めの温度のほうがよく効きます。圧縮比は 0.4乗で効くからです。圧力と体積は、温度には効きません。

ディーゼルエンジンに戻る

ディーゼルエンジンは、空気だけを吸い込んで、強く押し縮めます。たとえば、トヨタのディーゼルエンジン 1GD-FTV の圧縮比は 15.6 です。27℃ の空気なら、押し縮めた後は 628℃ になります。

そこへ軽油を霧にして吹き込みます。軽油が火花なしで燃え出す温度(自然発火点)は、石油会社の安全データシートで約 240℃ です。628℃ の空気の中では、軽油は自分で燃え出します。だから、ディーゼルエンジンには点火プラグがありません。

ガソリンエンジンは、点火プラグの火花で、決まった瞬間に燃やします。押し縮めただけで勝手に燃え出すと困るので、圧縮比はディーゼルより低くします。トヨタの Dynamic Force エンジン(2.5 L)で 13 です。

ピストンの位置とクランクの角度の関係は、機構学の ピストンクランク機構 の単元で扱いました。

実際の圧縮機は、等温と断熱の間

工場の空気圧縮機は、筒の外側をひれや水で冷やしながら押します。熱が少し逃げるので、温度の上がり方は断熱より小さく、等温よりは大きくなります。

この間の変化は、pV npV^{\,\sntN} = 一定(指数 n\sntN)で表せます。n=1\sntN = 1 が等温、n=κ=1.4\sntN = \sntKappa = 1.4 が断熱です。水で冷やす往復式の圧縮機では、n\sntN は 1.3 くらいです(目安)。

20℃ の空気を、圧力 8倍まで押し縮めます。圧力の比が決まっているときは、T2=T1 (p2/p1)(n−1)/nT_2 = T_1\,(p_2/p_1)^{(n-1)/n} を使います。

押し方 吐き出す空気の温度
断熱(n=1.4\sntN = 1.4) 258℃
少し冷やす(n=1.3\sntN = 1.3) 200℃
等温(n=1\sntN = 1) 20℃

n=1.3\sntN = 1.3 のとき、押し込んだ仕事のうち、ちょうど 4分の1 が熱として外へ出ます。割合は (κ−n)/(κ−1)=0.1/0.4(\sntKappa - \sntN)/(\sntKappa - 1) = 0.1/0.4 で、圧縮比にはよりません。

動かしてみよう

右の P-V 線図は、横が体積、縦が圧力で、線の下の面積が仕事です(読み方は 等容変化と等圧変化(比熱 cv と cp) の単元)。同じだけ押し縮めても、断熱の線は等温の線より上を通ります。面積が大きいぶん、押し込む仕事も多くなります。

圧縮比 ε\sntEps のスライダーを右へ動かしてください。ピストンが左へ進み、気体の色が濃くなります。温度計の柱が、軽油が燃え出す目安の線を越えます。P-V 線図では、断熱の線が、破線の等温の線から離れて立ち上がります。

次に、指数 n\sntN を 1.4 から下げてください。筒から熱の矢印が出て、下の家計簿の帯に、外へ出た熱(黄土)の分が現れます。n=1\sntN = 1 で、帯は全部が熱になります。

線図の薄い線と面積は、初期値です。「いまの図を残して比べる」を押すと、そのときの線と面積が薄く残り、そのときの答えを基準にして、何倍になったかが出ます。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 断熱のまま(n = 1.4)、圧縮比 ε を 16 にする(実物のディーゼルエンジンに近い値)(まだ)
  2. 圧縮比は 8 のまま、指数 n を 1(等温)にする(まだ)
  3. 圧縮比は 8 のまま、指数 n を 1.3(少し熱が逃げる、実際の圧縮機)にする(まだ)
℃
kPa
cc
シリンダ0200400600800軽油の発火 約240℃体積は 1/8(破線が初めのピストン)気体 416℃(690 K)押し込んだ仕事 W = 164 J温度を上げる分 ΔU 164 J(100%)外へ出た熱 0 J(0%)P-V 線図010020030040050060002468体積 V [cc]圧力 p(絶対) [MPa]断熱(n = 1.4)等温なら面積 = 押し込む仕事12
終わりの温度(絶対温度)は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

T2=T1 ε n−1\htmlClass{q-heat}{T_2} = \htmlClass{q-heat}{T_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{n} - 1}=300.15 K×8 0.4= 300.15\ \mathrm{K} \times 8^{\,0.4}=689.6 K (416.4 ∘C)= 689.6\ \mathrm{K}\ (416.4\,{}^{\circ}\mathrm{C})
終わりの温度(絶対温度)
T2=689.6 K\htmlClass{q-heat}{T_2} = 689.6\ \mathrm{K}
終わりの温度
t2=416.4 ∘C\htmlClass{q-heat}{t_2} = 416.4\ {}^{\circ}\mathrm{C}
終わりの圧力(絶対)
p2=1.86 MPa\htmlClass{q-stress}{p_2} = 1.86\ \mathrm{MPa}
押し込む仕事(気体がされた仕事)
W=164 J\htmlClass{q-moment}{W} = 164\ \mathrm{J}
ほかの値(4 個)
圧力が何倍になったか
p2/p1=18.4 \htmlClass{q-stress}{p_2/p_1} = 18.4\
等温なら、終わりの圧力
p2,等温=0.808 MPa\htmlClass{q-stress}{p_{2,\text{等温}}} = 0.808\ \mathrm{MPa}
内部エネルギーの増え
ΔU=164 J\htmlClass{q-moment}{\Delta U} = 164\ \mathrm{J}
外へ出た熱
Q出=0 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{出}}} = 0\ \mathrm{J}
途中の計算(導出)を見る
  1. 中の空気の質量(状態式 pV = mRT から)

    m=p1 V1R T1=101,000 Pa×5×10−4 m3287×300.15 K=0.586 g\htmlClass{q-material}{m} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-displacement}{V_1}}{\htmlClass{q-material}{R}\,\htmlClass{q-heat}{T_1}} = \dfrac{101{,}000\ \mathrm{Pa} \times 5\times 10^{-4}\ \mathrm{m^3}}{287 \times 300.15\ \mathrm{K}} = 0.586\ \mathrm{g}
  2. 終わりの圧力(pVⁿ が一定)

    p2=p1 ε n=101 kPa×8 1.4=1.86 MPa (18.4 倍)\htmlClass{q-stress}{p_2} = \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{n}} = 101\ \mathrm{kPa} \times 8^{\,1.4} = 1.86\ \mathrm{MPa}\ (18.4\ \text{倍})
  3. 等温(n = 1)だったときの圧力(比べる相手)

    p2,等温=p1 ε=101 kPa×8=0.808 MPa\htmlClass{q-stress}{p_{2,\text{等温}}} = \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon} = 101\ \mathrm{kPa} \times 8 = 0.808\ \mathrm{MPa}
  4. 終わりの温度(絶対温度で計算し、℃ に戻す)

    T2=T1 ε n−1=300.15 K×8 0.4=689.6 K (416.4 ∘C)\htmlClass{q-heat}{T_2} = \htmlClass{q-heat}{T_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{n} - 1} = 300.15\ \mathrm{K} \times 8^{\,0.4} = 689.6\ \mathrm{K}\ (416.4\,{}^{\circ}\mathrm{C})
  5. 押し込む仕事(P-V 線図の、線の下の面積)

    W=p2 V2−p1 V1n−1=116−50.50.4 J=164 J\htmlClass{q-moment}{W} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_2}\,\htmlClass{q-displacement}{V_2} - \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-displacement}{V_1}}{\htmlClass{q-material}{n} - 1} = \dfrac{116 - 50.5}{0.4}\ \mathrm{J} = 164\ \mathrm{J}
  6. 内部エネルギーの増え(温度が上がった分)

    ΔU=m cv (T2−T1)=5.862×10−4×717.5×389.4=164 J\htmlClass{q-moment}{\Delta U} = \htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{c_v}\,(\htmlClass{q-heat}{T_2} - \htmlClass{q-heat}{T_1}) = 5.862\times 10^{-4} \times 717.5 \times 389.4 = 164\ \mathrm{J}
  7. 外へ出た熱(家計簿:押し込んだ仕事 − ためた分)

    Q出=W−ΔU=163.8−163.8=0 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{出}}} = \htmlClass{q-moment}{W} - \htmlClass{q-moment}{\Delta U} = 163.8 - 163.8 = 0\ \mathrm{J}

つまり、ものを作るときは

温度を上げたいときは、速く押す。ディーゼルエンジンは、圧縮比を 14〜16 くらいにして、押し縮めた空気の熱だけで燃料に火をつけます。

押す仕事を減らしたいときは、冷やしながら押す。同じ 1/8 に押し縮めるのに、断熱では 164 J、等温では 105 J です(1.56倍)。大きな圧縮機は、何段かに分けて押し、段の間で空気を冷やします。

よくある勘違い

「温度も、体積の比どおりに 8倍になる」

温度の比は、℃ ではなく絶対温度でとります。それに、断熱で上がるのは 8倍ではなく 80.4=2.308^{0.4} = 2.30 倍です。

考え方 終わりの温度
℃ のまま 8倍 216℃
絶対温度のまま 8倍 2,128℃
絶対温度に 80.48^{0.4} をかける 416℃(690 K)

「断熱だから、温度は変わらない」

逆です。「断熱」は、熱の出入りが無いという意味です。熱が出ていかないから、押し込んだ仕事が全部たまって、温度が上がります。温度が変わらないのは、熱が出ていく等温変化のほうです。

「熱を入れていないのに、温度が上がるのはおかしい」

温度を上げるのは、熱だけではありません。仕事でも上がります。家計簿で入ってきたのは、熱ではなく、ピストンが押し込んだ仕事です。

反対に、断熱でふくらむと、気体は外へ仕事をして、温度が下がります。炭酸飲料のふたを開けたとき、口に白いもやができるのは、ふくらんだ気体が冷えて、中の水蒸気が細かい水の粒になるからです。

この公式が使える条件

  • 熱の出入りが無い(速く押す・断熱材で包む)。熱が少し逃げるときは、n\sntN を 1.4 より小さくした pV npV^{\,\sntN} = 一定で近似する
  • 気体は理想気体(空気・常温〜1000 K くらい)。κ=1.4\sntKappa = 1.4 を一定とする(高温では少し小さくなる)
  • 押し縮める途中も、筒の中の圧力・温度はどこも同じ(ピストンの速さが音の速さよりずっと遅い)
  • すき間から空気がもれない。ピストンの摩擦の熱は入れない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

家計簿を、少し押すごとに書く:ピストンをわずかに押して、体積が dVdV(押し縮めるので負)だけ変わったとします。押し込んだ仕事は −p dV-p\,dV です。断熱なので、これが全部、内部エネルギーの増え m cv dT\sntM\,\sntCv\,dT になります。

m cv dT=−p dV\sntM\,\sntCv\,dT = -p\,dV

状態式 p=mRT/Vp = \sntM \sntR T / V を入れ、両辺を m cv T\sntM\,\sntCv\,T で割ると、m\sntM が消えます。

dTT=−Rcv dVV=−(κ−1) dVV\dfrac{dT}{T} = -\dfrac{\sntR}{\sntCv}\,\dfrac{dV}{V} = -(\sntKappa - 1)\,\dfrac{dV}{V}

ここで R/cv=(cp−cv)/cv=κ−1\sntR/\sntCv = (c_p - c_v)/c_v = \sntKappa - 1 を使いました。両辺を足し合わせる(積分する)と、ln⁡T=−(κ−1)ln⁡V\ln T = -(\sntKappa - 1)\ln V + 一定、つまり

T V κ−1=一定⟹T2=T1(V1V2)κ−1=T1 ε κ−1T\,V^{\,\sntKappa - 1} = \text{一定} \qquad\Longrightarrow\qquad \sntTTwo = \sntTOne \left(\dfrac{\sntVOne}{V_2}\right)^{\sntKappa - 1} = \sntTOne\,\sntEps^{\,\sntKappa - 1}

圧力:T=pV/(mR)T = pV/(\sntM\sntR) を入れると pV⋅V κ−1=pV κpV \cdot V^{\,\sntKappa - 1} = pV^{\,\sntKappa} が一定になり、p2=p1 ε κ\sntPTwo = \sntPOne\,\sntEps^{\,\sntKappa} です。

押し込む仕事:P-V 線図の線の下の面積 −∫p dV-\int p\,dV を pV npV^{\,\sntN} = 一定で計算すると、W=(p2V2−p1V1)/(n−1)\sdnWin = (\sntPTwo V_2 - \sntPOne \sntVOne)/(\sntN - 1)。断熱(n=κ\sntN = \sntKappa)では、これが m cv (T2−T1)\sntM\,\sntCv\,(\sntTTwo - \sntTOne) とちょうど等しくなります。この単元の空気では、どちらも 164 J です。

外へ出る熱の割合:W=mR ΔT/(n−1)\sdnWin = \sntM\sntR\,\Delta T/(\sntN - 1)、ΔU=mR ΔT/(κ−1)\sntDU = \sntM\sntR\,\Delta T/(\sntKappa - 1) なので、Q出/W=1−(n−1)/(κ−1)=(κ−n)/(κ−1)\sdnQout/\sdnWin = 1 - (\sntN - 1)/(\sntKappa - 1) = (\sntKappa - \sntN)/(\sntKappa - 1) です。

例題

例題1 自転車の空気入れ

空気入れの筒に、20℃・101 kPa(絶対圧)の空気が入っています。ハンドルを押して、この空気をタイヤと同じ 400 kPa(絶対圧)まで押し縮めます。速く押すので、熱は逃げないとします(断熱、κ = 1.4)。

(1) 体積は何分の1になるか。(2) 押し縮めた空気の温度は何℃か。

ヒント 1 / 2

圧力の比から体積の比を出すには、pVκ=p V^{\kappa} = 一定を使います。V1/V2=(p2/p1)1/κV_1/V_2 = (p_2/p_1)^{1/\kappa} です。

ヒント 2 / 2

圧力の比は 400÷101=3.96400 \div 101 = 3.96。温度は絶対温度 293 K から始めます。

答えと解き方を見る
(1) V2/V1=1/2.67 (約 0.37 倍)(1)\ V_2/V_1 = 1/2.67\ (\text{約 } 0.37\ \text{倍})
(2) t2=161 ∘C(2)\ t_2 = 161\,{}^{\circ}\mathrm{C}

圧力は約4倍なのに、体積は約 2.7分の1 にしかなりません。押すと温度が上がって、空気がふくらもうとするぶん、等温より縮みにくいからです。

161℃ は、熱がまったく逃げないときの値です。実際は、筒の壁が熱を受け取るので、空気はそこまで熱くなりません。その熱で、筒の下のほうが温かくなります。

例題2 冬の朝のディーゼルエンジン

圧縮比 16 のディーゼルエンジンが、100 kPa(絶対圧)の空気を吸い込み、断熱で押し縮めます(κ = 1.4)。

(1) 吸い込んだ空気が 40℃(夏の、温まったエンジン)のとき、押し縮めた後の温度と圧力。(2) 吸い込んだ空気が −10℃(冬の朝)のときの温度。軽油が燃え出す目安(約 240℃)と比べる。

ヒント 1 / 2

温度は T2=T1 εκ−1T_2 = T_1\,\varepsilon^{\kappa - 1}、圧力は p2=p1 εκp_2 = p_1\,\varepsilon^{\kappa} です。温度は必ず絶対温度で入れます。

ヒント 2 / 2

160.4=3.0316^{0.4} = 3.03、161.4=48.516^{1.4} = 48.5 です。40℃ は 313 K。

答えと解き方を見る
(1) t2=676 ∘C,p2=4.85 MPa(1)\ t_2 = 676\,{}^{\circ}\mathrm{C},\quad p_2 = 4.85\ \mathrm{MPa}
(2) t2=525 ∘C(2)\ t_2 = 525\,{}^{\circ}\mathrm{C}
  1. 中の空気の質量(状態式 pV = mRT から)

    m=p1 V1R T1=100,000 Pa×5×10−4 m3287×313.15 K=0.556 g\htmlClass{q-material}{m} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-displacement}{V_1}}{\htmlClass{q-material}{R}\,\htmlClass{q-heat}{T_1}} = \dfrac{100{,}000\ \mathrm{Pa} \times 5\times 10^{-4}\ \mathrm{m^3}}{287 \times 313.15\ \mathrm{K}} = 0.556\ \mathrm{g}
  2. 終わりの圧力(pVⁿ が一定)

    p2=p1 ε n=100 kPa×16 1.4=4.85 MPa (48.5 倍)\htmlClass{q-stress}{p_2} = \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{n}} = 100\ \mathrm{kPa} \times 16^{\,1.4} = 4.85\ \mathrm{MPa}\ (48.5\ \text{倍})
  3. 等温(n = 1)だったときの圧力(比べる相手)

    p2,等温=p1 ε=100 kPa×16=1.6 MPa\htmlClass{q-stress}{p_{2,\text{等温}}} = \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon} = 100\ \mathrm{kPa} \times 16 = 1.6\ \mathrm{MPa}
  4. 終わりの温度(絶対温度で計算し、℃ に戻す)

    T2=T1 ε n−1=313.15 K×16 0.4=949.3 K (676.1 ∘C)\htmlClass{q-heat}{T_2} = \htmlClass{q-heat}{T_1}\,\htmlClass{q-geometry}{\varepsilon}^{\,\htmlClass{q-material}{n} - 1} = 313.15\ \mathrm{K} \times 16^{\,0.4} = 949.3\ \mathrm{K}\ (676.1\,{}^{\circ}\mathrm{C})
  5. 押し込む仕事(P-V 線図の、線の下の面積)

    W=p2 V2−p1 V1n−1=151.6−500.4 J=254 J\htmlClass{q-moment}{W} = \dfrac{\htmlClass{q-stress}{p_2}\,\htmlClass{q-displacement}{V_2} - \htmlClass{q-stress}{p_1}\,\htmlClass{q-displacement}{V_1}}{\htmlClass{q-material}{n} - 1} = \dfrac{151.6 - 50}{0.4}\ \mathrm{J} = 254\ \mathrm{J}
  6. 内部エネルギーの増え(温度が上がった分)

    ΔU=m cv (T2−T1)=5.563×10−4×717.5×636.1=254 J\htmlClass{q-moment}{\Delta U} = \htmlClass{q-material}{m}\,\htmlClass{q-material}{c_v}\,(\htmlClass{q-heat}{T_2} - \htmlClass{q-heat}{T_1}) = 5.563\times 10^{-4} \times 717.5 \times 636.1 = 254\ \mathrm{J}
  7. 外へ出た熱(家計簿:押し込んだ仕事 − ためた分)

    Q出=W−ΔU=253.9−253.9=0 J\htmlClass{q-heat}{Q_{\text{出}}} = \htmlClass{q-moment}{W} - \htmlClass{q-moment}{\Delta U} = 253.9 - 253.9 = 0\ \mathrm{J}

吸い込む空気が 50 K 冷たいと、押し縮めた後は約 150 K 低くなります。差も、絶対温度と同じく 16^0.4 = 3.03 倍に広がるからです。

−10℃ でも 525℃ で、計算の上では目安の 240℃ を大きく越えます。実物の冬の始動が難しいのは、冷えた筒の壁が熱を奪い、すき間から空気がもれるためです。そこで、電気で筒の中を温める部品(グロープラグ)を使います。

例題3 工場の空気圧縮機

空気圧縮機が、20℃ の空気を圧力 8倍(絶対圧の比)まで押し縮めます。筒を冷やしているので、熱が少し逃げ、変化の指数は n = 1.3 とします。

(1) 押し縮めた空気の温度。(2) 熱が逃げない(断熱、n = 1.4)ときの温度。(3) n = 1.3 のとき、押し込んだ仕事のうち、熱として外へ出た割合。

ヒント 1 / 2

圧力の比が決まっているときは、T2=T1 (p2/p1)(n−1)/nT_2 = T_1\,(p_2/p_1)^{(n-1)/n} を使います。

ヒント 2 / 2

n=1.3n = 1.3 なら指数は 0.3/1.3=0.2310.3/1.3 = 0.231、80.231=1.628^{0.231} = 1.62 です。(3) は、本文の家計簿の帯で n を 1.3 にしたときの割合です。

答えと解き方を見る
(1) t2=200.5 ∘C(1)\ t_2 = 200.5\,{}^{\circ}\mathrm{C}
(2) t2=258 ∘C(2)\ t_2 = 258\,{}^{\circ}\mathrm{C}
(3) 25% (4分の1)(3)\ 25\%\ (4\text{分の}1)

少し冷やすだけで、吐き出す空気の温度は約 57 K 下がります。圧縮機の吐き出す空気が熱いので、タンクの前に冷やす装置(アフタークーラ)を付けます。

外へ出る熱の割合は (κ − n)/(κ − 1) = 0.1/0.4 = 0.25 で、圧縮比によりません。n = 1 なら全部、n = 1.4 なら 0 です。