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$-$
열역학 과정이 반복되는 순환 과정을 거쳐 열을 일로 바꾸는 장치이다.
기체는 1 11 회 순환하는 동안 고온의 열원(고열원)으로부터 열 Q 1 Q_1Q 1 을 흡수하여 일 W WW 를 하고,
남은 열을 저온의 열원(저열원)으로 방출(Q 2 Q_2Q 2 )한 후 원래 상태로 되돌아온다.
기체는 1 11 회 순환하여 원래 상태로 되돌아와 내부 에너지는 처음과 동일하므로
1 11 회 순환하는 동안 기체의 내부 에너지 변화량은 Δ U = 0 \Delta U = 0Δ U = 0 이고, Q 1 = W + Q 2 Q_1 = W + Q_2Q 1 = W + Q 2 이다.
열기관의 열효율을 e ee , 1 11 회 순환하는 동안 기체가 흡수한 열량을 Q 1 Q_1Q 1 , 방출한 열량을 Q 2 Q_2Q 2 , 기체가 한 일을 W WW 라 하면
e = Q 1 − Q 2 Q 1 = W Q 1 e = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = \frac{W}{Q_1}e = Q 1 Q 1 − Q 2 = Q 1 W 이다.
그림은 열효율이 e ee 인 열기관에서 기체가 1 11 회 순환하는 동안 고열원에서 420 J 420\,\mathrm{J}4 2 0 J 의 열을 흡수하여 W WW 의 일을 하고 저열원으로 240 J 240\,\mathrm{J}2 4 0 J 의 열을 방출하는 것을 나타낸 것이다. W WW 와 e ee 를 구해보자.
기체가 1 11 회 순환하는 동안 기체가 흡수한 열량을 Q 1 Q_1Q 1 , 방출한 열량을 Q 2 Q_2Q 2 라 할 때,
Q 1 = W + Q 2 Q_1 = W + Q_2Q 1 = W + Q 2 이므로
420 J = W + 240 J , 420\,\mathrm{J} = W + 240\,\mathrm{J},4 2 0 J = W + 2 4 0 J ,
420 J − 240 J = W , 420\,\mathrm{J} - 240\,\mathrm{J} = W,4 2 0 J − 2 4 0 J = W ,
W = 180 J W = 180\,\mathrm{J}W = 1 8 0 J 이다.
e = Q 1 − Q 2 Q 1 = W Q 1 e = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = \frac{W}{Q_1}e = Q 1 Q 1 − Q 2 = Q 1 W 이므로
e = 420 J − 240 J 420 J = 180 J 420 J = 3 7 e = \frac{420\,\mathrm{J} - 240\,\mathrm{J}}{420\,\mathrm{J}} = \frac{180\,\mathrm{J}}{420\,\mathrm{J}} = \frac{3}{7}e = 4 2 0 J 4 2 0 J − 2 4 0 J = 4 2 0 J 1 8 0 J = 7 3 이다.
그림은 열효율이 e ee 인 열기관에서 일정량의 이상 기체가 상태 A → B → C → A \mathrm{A} \to \mathrm{B} \to \mathrm{C} \to \mathrm{A}A → B → C → A 를 따라 변할 때 기체의 압력과 부피를 나타낸 것이다. A → B \mathrm{A} \to \mathrm{B}A → B , B → C \mathrm{B} \to \mathrm{C}B → C , C → A \mathrm{C} \to \mathrm{A}C → A 는 각각 등온 과정, 등적 과정, 단열 과정이다.
A → B \mathrm{A} \to \mathrm{B}A → B 과정에서 기체가 외부에 한 일은 450 J 450\,\mathrm{J}4 5 0 J 이고, C → A \mathrm{C} \to \mathrm{A}C → A 과정에서 기체의 내부 에너지 증가량은 270 J 270\,\mathrm{J}2 7 0 J 일 때,
1 11 회 순환하는 동안 기체가 흡수한 열량과 방출한 열량, 기체가 한 일, e ee 를 구해보자.
A → B \mathrm{A} \to \mathrm{B}A → B 과정 분석:
A → B \mathrm{A} \to \mathrm{B}A → B 는 등온 과정이므로 Δ U = 0 \Delta U = 0Δ U = 0 이고, Q = W Q = WQ = W 이다.
이때 W = 450 J W = 450\,\mathrm{J}W = 4 5 0 J 이므로 Q = 450 J Q = 450\,\mathrm{J}Q = 4 5 0 J 이다.
B → C \mathrm{B} \to \mathrm{C}B → C 과정 분석:
B → C \mathrm{B} \to \mathrm{C}B → C 는 등적 과정이므로 W = 0 W = 0W = 0 이고, Q = Δ U Q = \Delta UQ = Δ U 이다.
그러므로 Δ U = x \Delta U = xΔ U = x 라 하면, Q = x Q = xQ = x 이다.
C → A \mathrm{C} \to \mathrm{A}C → A 과정 분석:
C → A \mathrm{C} \to \mathrm{A}C → A 는 단열 과정이므로 Q = 0 Q = 0Q = 0 이고, Δ U + W = 0 \Delta U + W = 0Δ U + W = 0 이다.
이때 Δ U = 270 J \Delta U = 270\,\mathrm{J}Δ U = 2 7 0 J 이므로 W = − 270 J W = -270\,\mathrm{J}W = − 2 7 0 J 이다.
이를 표로 정리하면 아래와 같다:
과정
$Q$
$\Delta U$
$W$
$\mathrm{A} \to \mathrm{B}$
$450\,\mathrm{J}$
$0$
$450\,\mathrm{J}$
$\mathrm{B} \to \mathrm{C}$
$x$
$x$
$0$
$\mathrm{C} \to \mathrm{A}$
$0$
$270\,\mathrm{J}$
$-270\,\mathrm{J}$
1. 1.1 . 1 11 회 순환하는 동안 기체가 한 일 구하기:
1 11 회 순환(A → B → C → A \mathrm{A} \to \mathrm{B} \to \mathrm{C} \to \mathrm{A}A → B → C → A )하는 동안 기체가 한 일은 450 J − 270 J = 180 J 450\,\mathrm{J} - 270\,\mathrm{J} = 180\,\mathrm{J}4 5 0 J − 2 7 0 J = 1 8 0 J 이다.
2. 2.2 . 1 11 회 순환하는 동안 기체가 흡수한 열량과 방출한 열량 구하기:
기체는 1 11 회 순환(A → B → C → A \mathrm{A} \to \mathrm{B} \to \mathrm{C} \to \mathrm{A}A → B → C → A )하여 원래 상태로 되돌아와 내부 에너지는 처음과 동일하므로 내부 에너지 변화량 Δ U = 0 \Delta U = 0Δ U = 0 이다.
따라서 x + 270 J = 0 , x + 270\,\mathrm{J} = 0,x + 2 7 0 J = 0 ,
x = − 270 J x = -270\,\mathrm{J}x = − 2 7 0 J 이다.
이를 통해 1 11 회 순환하는 동안 기체가 흡수한 열량은 450 J 450\,\mathrm{J}4 5 0 J 이고, 방출한 열량은 270 J 270\,\mathrm{J}2 7 0 J 임을 알 수 있다.
3. 3.3 . e ee 구하기:
e = Q 1 − Q 2 Q 1 = W Q 1 e = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = \frac{W}{Q_1}e = Q 1 Q 1 − Q 2 = Q 1 W 에서 위에 구한 W WW , Q 1 Q_1Q 1 을 넣으면,
e = W Q 1 = 180 J 450 J = 2 5 e = \frac{W}{Q_1} = \frac{180\,\mathrm{J}}{450\,\mathrm{J}} = \frac{2}{5}e = Q 1 W = 4 5 0 J 1 8 0 J = 5 2 이다.
1번 문항 정답 및 해설 보기
정답: $5$
ㄱ. 열기관에서 기체는 고열원으로부터 열을 흡수하여 일 W WW 를 하고, 남은 열을 저열원으로 방출한 후 원래 상태로 되돌아오므로 T 1 > T 2 T_1 > T_2T 1 > T 2 이다. (O)
ㄴ. 1 11 회 순환하는 동안 기체가 흡수한 열량을 Q 1 Q_1Q 1 , 방출한 열량을 Q 2 Q_2Q 2 라 할 때 열기관의 열효율이 0.3 0.30 . 3 이므로
e = Q 1 − Q 2 Q 1 = W Q 1 e = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = \frac{W}{Q_1}e = Q 1 Q 1 − Q 2 = Q 1 W 에서
0.3 = Q 1 − 315 J Q 1 = W Q 1 0.3 = \frac{Q_1 - 315\,\mathrm{J}}{Q_1} = \frac{W}{Q_1}0 . 3 = Q 1 Q 1 − 3 1 5 J = Q 1 W 이다.
0.3 = 1 − 315 J Q 1 , 0.3 = 1 - \frac{315\,\mathrm{J}}{Q_1},0 . 3 = 1 − Q 1 3 1 5 J ,
0.3 Q 1 = Q 1 − 315 J , 0.3 Q_1 = Q_1 - 315\,\mathrm{J},0 . 3 Q 1 = Q 1 − 3 1 5 J ,
315 J = 0.7 Q 1 , 315\,\mathrm{J} = 0.7 Q_1,3 1 5 J = 0 . 7 Q 1 ,
Q 1 = 450 J Q_1 = 450\,\mathrm{J}Q 1 = 4 5 0 J 이다. (O)
ㄷ. 1 11 회 순환하는 동안 Q 1 = W + Q 2 Q_1 = W + Q_2Q 1 = W + Q 2 이므로
450 J = W + 315 J , 450\,\mathrm{J} = W + 315\,\mathrm{J},4 5 0 J = W + 3 1 5 J ,
450 J − 315 J = W , 450\,\mathrm{J} - 315\,\mathrm{J} = W,4 5 0 J − 3 1 5 J = W ,
W = 135 J W = 135\,\mathrm{J}W = 1 3 5 J 이다. (O)
따라서 정답은 5 55 번이다.
2번 문항 정답 및 해설 보기
정답: $2$
A → B \mathrm{A} \to \mathrm{B}A → B 과정 분석:
A → B \mathrm{A} \to \mathrm{B}A → B 는 등적 과정이므로 W = 0 W = 0W = 0 이고, Q = Δ U Q = \Delta UQ = Δ U 이다.
단원자 분자 이상 기체의 압력과 부피를 각각 P PP , V VV 라 할 때, 내부 에너지는 3 2 P V \frac{3}{2} P V2 3 P V 이므로
A \mathrm{A}A 에서 기체의 내부 에너지는 3 2 P 0 V 0 \frac{3}{2} P_0 V_02 3 P 0 V 0 이고,
B \mathrm{B}B 에서 기체의 내부 에너지는 3 2 × ( 2 P 0 ) × V 0 = 3 P 0 V 0 \frac{3}{2} \times (2 P_0) \times V_0 = 3 P_0 V_02 3 × ( 2 P 0 ) × V 0 = 3 P 0 V 0 이므로
Δ U = Q = 3 P 0 V 0 − 3 2 P 0 V 0 = 3 2 P 0 V 0 \Delta U = Q = 3 P_0 V_0 - \frac{3}{2} P_0 V_0 = \frac{3}{2} P_0 V_0Δ U = Q = 3 P 0 V 0 − 2 3 P 0 V 0 = 2 3 P 0 V 0 이다.
B → C \mathrm{B} \to \mathrm{C}B → C 과정 분석:
B → C \mathrm{B} \to \mathrm{C}B → C 는 등압 과정이므로 부피 변화를 Δ V \Delta VΔ V 라 할 때,
Δ U = 3 2 P Δ V \Delta U = \frac{3}{2} P \Delta VΔ U = 2 3 P Δ V , W = P Δ V W = P \Delta VW = P Δ V 이다.
B → C \mathrm{B} \to \mathrm{C}B → C 에서 Δ V = V 0 \Delta V = V_0Δ V = V 0 이므로,
Δ U = 3 2 × 2 P 0 × V 0 = 3 P 0 V 0 \Delta U = \frac{3}{2} \times 2 P_0 \times V_0 = 3 P_0 V_0Δ U = 2 3 × 2 P 0 × V 0 = 3 P 0 V 0 ,
W = 2 P 0 V 0 W = 2 P_0 V_0W = 2 P 0 V 0 이고,
Q = 3 P 0 V 0 + 2 P 0 V 0 = 5 P 0 V 0 Q = 3 P_0 V_0 + 2 P_0 V_0 = 5 P_0 V_0Q = 3 P 0 V 0 + 2 P 0 V 0 = 5 P 0 V 0 이다.
C → D \mathrm{C} \to \mathrm{D}C → D 과정 분석:
C → D \mathrm{C} \to \mathrm{D}C → D 는 등적 과정이므로 W = 0 W = 0W = 0 이고, Q = Δ U Q = \Delta UQ = Δ U 이다.
C \mathrm{C}C 에서 기체의 내부 에너지는 3 2 × ( 2 P 0 ) × ( 2 V 0 ) = 6 P 0 V 0 \frac{3}{2} \times (2 P_0) \times (2 V_0) = 6 P_0 V_02 3 × ( 2 P 0 ) × ( 2 V 0 ) = 6 P 0 V 0 이고,
D \mathrm{D}D 에서 기체의 내부 에너지는 3 2 × P 0 × ( 2 V 0 ) = 3 P 0 V 0 \frac{3}{2} \times P_0 \times (2 V_0) = 3 P_0 V_02 3 × P 0 × ( 2 V 0 ) = 3 P 0 V 0 이므로
Δ U = Q = 3 P 0 V 0 − 6 P 0 V 0 = − 3 P 0 V 0 \Delta U = Q = 3 P_0 V_0 - 6 P_0 V_0 = -3 P_0 V_0Δ U = Q = 3 P 0 V 0 − 6 P 0 V 0 = − 3 P 0 V 0 이다.
D → A \mathrm{D} \to \mathrm{A}D → A 과정 분석:
D → A \mathrm{D} \to \mathrm{A}D → A 는 등압 과정이므로 부피 변화를 Δ V \Delta VΔ V 라 할 때,
Δ U = 3 2 P Δ V \Delta U = \frac{3}{2} P \Delta VΔ U = 2 3 P Δ V , W = P Δ V W = P \Delta VW = P Δ V 이다.
D → A \mathrm{D} \to \mathrm{A}D → A 에서 Δ V = − V 0 \Delta V = -V_0Δ V = − V 0 이므로,
Δ U = 3 2 × P 0 × ( − V 0 ) = − 3 2 P 0 V 0 \Delta U = \frac{3}{2} \times P_0 \times (-V_0) = -\frac{3}{2} P_0 V_0Δ U = 2 3 × P 0 × ( − V 0 ) = − 2 3 P 0 V 0 ,
W = P 0 × ( − V 0 ) = − P 0 V 0 W = P_0 \times (-V_0) = -P_0 V_0W = P 0 × ( − V 0 ) = − P 0 V 0 이고,
Q = − 3 2 P 0 V 0 − P 0 V 0 = − 5 2 P 0 V 0 Q = -\frac{3}{2} P_0 V_0 - P_0 V_0 = -\frac{5}{2} P_0 V_0Q = − 2 3 P 0 V 0 − P 0 V 0 = − 2 5 P 0 V 0 이다.
이를 표로 정리하면 아래와 같다:
과정
$Q$
$\Delta U$
$W$
$\mathrm{A} \to \mathrm{B}$
$\frac{3}{2}P_0V_0$
$\frac{3}{2}P_0V_0$
$0$
$\mathrm{B} \to \mathrm{C}$
$5P_0V_0$
$3P_0V_0$
$2P_0V_0$
$\mathrm{C} \to \mathrm{D}$
$-3P_0V_0$
$-3P_0V_0$
$0$
$\mathrm{D} \to \mathrm{A}$
$-\frac{5}{2}P_0V_0$
$-\frac{3}{2}P_0V_0$
$-P_0V_0$
1. 1.1 . 1 11 회 순환하는 동안 기체가 한 일 구하기:
1 11 회 순환(A → B → C → D → A \mathrm{A} \to \mathrm{B} \to \mathrm{C} \to \mathrm{D} \to \mathrm{A}A → B → C → D → A )하는 동안 기체가 한 일 W = 2 P 0 V 0 − P 0 V 0 = P 0 V 0 W = 2 P_0 V_0 - P_0 V_0 = P_0 V_0W = 2 P 0 V 0 − P 0 V 0 = P 0 V 0 이다.
2. 2.2 . 1 11 회 순환하는 동안 기체가 흡수한 열량 Q 1 Q_1Q 1 구하기:
Q 1 = 3 2 P 0 V 0 + 5 P 0 V 0 , Q_1 = \frac{3}{2} P_0 V_0 + 5 P_0 V_0,Q 1 = 2 3 P 0 V 0 + 5 P 0 V 0 ,
Q 1 = 13 2 P 0 V 0 Q_1 = \frac{13}{2} P_0 V_0Q 1 = 2 1 3 P 0 V 0 이다.
3. 3.3 . e ee 구하기:
e = Q 1 − Q 2 Q 1 = W Q 1 e = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = \frac{W}{Q_1}e = Q 1 Q 1 − Q 2 = Q 1 W 에서 위에 구한 W WW , Q 1 Q_1Q 1 를 넣으면,
e = W Q 1 = P 0 V 0 13 2 P 0 V 0 = 2 13 e = \frac{W}{Q_1} = \frac{P_0 V_0}{\frac{13}{2} P_0 V_0} = \frac{2}{13}e = Q 1 W = 2 1 3 P 0 V 0 P 0 V 0 = 1 3 2 이다.
따라서 정답은 2 22 번이다.