京大物理 '07 年前期 [3] 次の文を読んで、 には適した式を、 { } には正しい番号を一つ選び、それぞれの解答欄に記入せよ。また問 1 ,問 2 ,問 3 には適切な説明を所定の枠内に記入すること。 熱力学は気体だけではなく、さまざまな対象にも適用することができる。本問ではひも状の物体の熱力学を考えてみよう。あるひも状の物体を引き伸ばし、長さが から の範囲内で張力 X を測定したところ、 X は長さ L に依存せず、絶対温度 T および正の定数 A を用いて と表された。この物体の変形としては、 L が から の範囲内にある一次元的な伸縮のみを考え、また内部エネルギー U は正の定数 C を用いて となるとして、以下の問いに答えよ。 (1) この物体に外から微小仕事 を加えて微小量 だけ伸ばしたときに、 という関係式が成り立つ。吸熱量を ,内部エネルギーの変化を としたとき、熱力学第一法則より は、 , A , T , を用いて あ と表される。一方 より、物体を伸ばしたときの温度変化 を用いて、内部エネルギーの変化は い とも書ける。 断熱的に物体をゆっくりと微小量 伸ばしたときの温度変化 は、 C , A , T , を用いて表すと う となり、温度は { え :@ 下降する。 A 変わらない。 B 上昇する。 } ただし、 とする。 (2) さて、この物体を断熱的にゆっくりと伸ばした。そのとき が一定であった。ここで、 は T の自然対数である。 問 1 この理由を述べよ。ただし、正の変数 T を までわずかに変化させたときの の変化量を と表すと、 が成り立つことを用いてよい。 (3) 次に、同じ物体を温度 T に保ったまま、長さ から L までゆっくりと変化させたときに物体に外から加えられた仕事は お であり、その間の吸熱量は か である。ただし、 お および か は A , T , , L のみで表すこと。 (4) 図 1 のように横軸を物体の長さ L とし、縦軸を温度 T としてこの物体の状態変化を表す。物体を温度 に保ちゆっくりと等温変化をさせ、その後ゆっくりと まで断熱変化させ、さらに温度 でゆっくりと等温変化をさせた後に、断熱的にゆっくりと温度 の初めの状態に戻すサイクルを考えよう。高温熱源 ( 温度 ) から熱を吸収して仕事をし、低温熱源 ( 温度 ) に熱を放出するようなサイクルは、 { き :@ (a) を時計回りに回る。 A (a) を反時計回りに回る。 B (b) を時計回りに回る。 C (b) を反時計回りに回る。 } 問 2 このサイクルでは、 と が等しくなる。その理由を述べよ。 (5) 一般にサイクルでの熱効率は、物体がサイクルを通じて外にする正味の仕事を、高温熱源から吸収する熱量 で割った量として導入される。よって、サイクルを動かす間の熱効率は、 とサイクルを動かす間に放出する熱量 を用いて く と書ける。 問 3 これまでの結果を用いて、 (4) のサイクルの熱効率が となる理由を説明せよ。 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
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解答 難しそうに見えますが、簡単です。 (1) あ ・・・@ は、外部から物体に加えられた 仕事 なので、物体が外部にした 仕事 は です。 熱力学第一法則 より、 ∴ ・・・A ......[ 答 ] ......[ 答 ] う A,Bより、 ......[ 答 ] え Cより、 のとき、 温度 は上昇するので、B ......[ 答 ]
∴ これより、 は一定です。 (3) お @より、物体に外から加えられた 仕事 は、 ......[ 答 ] ......[ 答 ] (4) き 高温 の等温変化 において 熱 を吸収したので、 ,Dより、 ,よって、ここで長さが縮みます ( 右図で 高温 において右から左に移行する ) 。 高温 から 低温 に断熱変化 するとき、 ,Cより、 ,よって、ここで長さが縮みます ( 右図の で T , L とも減少 ) 。 このとき 1 サイクルで (a) を反時計回り に回る ( 右図参照 ) ので、A ......[ 答 ] 補足 この サイクル をカルノー・サイクルと言います。 問 2 断熱変化 においては、Aで として、 ・・・E 右図において、 B → A( 断熱変化 ) における 内部エネルギーの変化 は、Eより、 D → C( 断熱変化 ) における 内部エネルギーの変化 は、Eより、 等温変化では なので、 A → D , C → B においては、 内部エネルギーの変化 はありません。 1 サイクルでの 内部エネルギーの変化 は (1 サイクルでもとの 温度 に戻るので )0 です。 よって、 ∴ (5) く 1 サイクルで、 内部エネルギーの変化 は 0 ,気体が吸収した 熱 は 物体が 1 サイクルを通じて外にする正味の 仕事 を として、 熱力学第一法則 より、 ・・・F ......[ 答 ] 注. η はギリシャ文字で‘えーた'と読みます。
問 3 C → B( 等温変化 ) において、Dより、 ( は吸収する熱量 ) A → D( 等温変化 ) において、Dより、 ( は放出する熱量 ) 問 2 の結果を利用して、 Fより、熱効率 η は、 注.問 2(5) ,問 3 において、 , , C → B で物体が吸収した熱は , A → D で物体が吸収した熱は であることに注意してください。 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
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