[물리학I 칼럼] 열역학 법칙 P-V그래프 순환 과정
게시글 주소: https://ui.orbi.kr/00068186317
최근 수능 및 모평에서 열역학 법칙 관련 문항으로 P-V 그래프 순환 과정이 1문항씩 출제되고 있습니다.
오늘 칼럼에서는 기본적인 배경지식을 설명드리고 이를 이용해서 기출문제를 푸는 방법을 보여드리겠습니다.
어려운 유형은 아니지만 필수 유형이므로 작성해봅니다.
[CHAPTER1. 배경 지식]
1-1 '열역학 제1법칙'과 '이상기체 방정식' 관계
①온도 증가/감소 → ΔU +/-
②부피 증가/감소 → W +/-
[등압 과정]
압력 일정, 부피 증가 (이상 기체 방정식의 좌변은 증가) → 따라서 온도 증가.
부피 증가, 온도 증가 → W와 ΔU는 모두 (+) → Q=(+)
=열을 흡수해서 내부 에너지가 증가하고 기체가 외부에 일을 했다.
※ 그래프의 밑면적이 기체가 한 일의 크기이다.
[등적 과정]
압력 증가, 부피 일정 (이상 기체 방정식의 좌변은 증가) → 따라서 온도 증가.
부피 일정, 온도 증가 → W=0, ΔU=(+) → Q=(+)
=열을 흡수해서 모두 내부 에너지가 증가에 사용
※ 그래프의 밑면적이 없으므로 기체가 한 일 또는 받은 일=0
[등온 과정]
위 열역학 과정은 다음과 같이 해석합니다.
등온선 위에서 움직이며 부피 증가, 압력 감소
부피 증가, 온도 일정 → W=(+), ΔU=0 → Q=(+)
=열을 흡수해서 모두 기체가 외부에 일을 하는데 사용 Q=W
※ 그래프의 밑면적이 기체가 한 일의 크기이다.
※ 그래프의 x축인 부피와 y축인 압력의 곱이 온도와 비례하므로 등온선은 반비례 그래프 형태이며,
등온선 그래프가 원점에서 멀어질수록 온도는 높다.
[단열 과정]
Q=0인 과정. 따라서 ΔU와 W의 크기는 같고 부호는 반대.
만약 V가 증가한다면 W=(+) → ΔU=(-)이므로 온도는 감소
이상 기체 방정식이 성립하기 위해 P는 감소해야 함.
①그래프는 우하향 그래프로 그려진다.
②
부피가 증가하면 압력, 온도는 모두 감소하고
부피가 감소하면 압력, 온도는 모두 증가.
1-2 순환 과정과 열효율
① 순환 과정에 한 번 순환하는 동안 한 일 W는 +W1-W2와 같으므로 내부 면적을 구하면 된다.
② 1 사이클을 순환하면 온도 변화는 0이므로 1 사이클의 ΔU=0이 된다.
① Q2=0인 열기관, 즉 열효율이 100%인 열기관은 존재할 수 없다.
이제 위 정보들을 이용하여 최근에 출제된 PV그래프 순환 과정 문제를 풀어보자.
[CHAPTER2. 문제 풀이]
이번 칼럼에서는 24 23수능 문제만 풀어보고 다음 게시글에는 다양한 모평 및 학평 문항도 풀어서 올리도록 하겠습니다.
23 수능은 표를 이용해서 간결하게 풀었고, 24 수능은 표를 이용하지 않고 직접 적어가며 풀었습니다.
[ 2023학년도 수능 13번 ]
[solution]
부피의 증감을 통해 W의 부호 판단.
다음과 같은 과정으로 표 채우기
과정 | W + ΔU = Q | ||
---|---|---|---|
A → B | +60 | ||
B → C | +90 | 0(단열) | |
C →A | ㉠ | 0(등온) |
B → C 단열과정이므로 Q=0
C → A 등온과정이므로 ΔU =0
과정 | W + ΔU = Q | ||
---|---|---|---|
A → B | +60 | +90 | +150 |
B → C | +90 | -90 | 0(단열) |
C →A | ㉠ | 0(등온) | ㉠ |
1. 사이클 내부 에너지 합=0
2. A → B Q=W+ΔU에 의해 Q=+150
3. 열효율 0.2 흡수한 열량 +150
따라서 W=+30
A → B → C 과정에서 W=+150이므로
C → A 과정에서 W=-120=㉠
ㄱ. 단열 과정에서 부피가 증가하면 온도와 압력은 감소하므로 참.
ㄴ. 참(표 참고)
ㄷ. 참(표 참고)
답: ⑤
[ 2024학년도 수능 11번 ]
[solution]
ㄱ. A → B 온도는 상승 B → C 온도는 유지이므로 거짓.
ㄴ. 흡수하는 열량: A → B 과정에서 Q 흡수, B → C과정에서 150 흡수
한 일 +150 - 100 = +50 이므로 다음과 같은 식 성립
Q=50J 따라서 ㄴ 참.
ㄷ. 한 사이클을 순환하면 온도 변화는 0이므로 ΔU=0
ΔU:
A → B 과정: +50
B → C과정: 0
C → D과정: ?
D → A과정: +100
따라서 C → D과정은 -150J ㄷ 참.
(A → B 과정에서 W=0이므로 Q=ΔU=+50J)
(B → C과정에서 온도 변화는 없으므로 ΔU=0)
(D → A과정에서 Q=0이므로 ΔU+W=0이고 W=-100이므로, ΔU=+100)
답: ④
0 XDK (+0)
유익한 글을 읽었다면 작성자에게 XDK를 선물하세요.
-
어제 봤어야하는데 잠들어버린..
-
수학 2등급 1
5월까지 수학 1번만 풀 수 있는 노베였다가 5월달부터 열심히 하기로 마음먹어서...
-
얼버기 6
어제 10시에 잠듦
-
금토일 술마시고 월부터 달린다
-
"화질 좋은 아이폰으로 바꾸세요"…유치원 교사, 학부모 말 듣고 황당 1
휴대폰 화질이 안 좋다는 이유로 학부모로부터 '갤럭시를 쓰지 말라'는 강요를 받고...
-
어서오세요 제목어그로테스트하기
-
수학능력시험을 앞둔 제자를 집으로 데려가 강제추행한 전직 교사가 징역형의 집행유예를...
-
얼버기 0
기상 성공
-
기상 1
아침롤 ㄷㄱㅈ~~
-
머스크, 한국인 테슬라 주식 보유 1위에 "똑똑한 사람들" 1
(샌프란시스코=연합뉴스) 김태종 특파원 = 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)는...
-
태어난게 실수인듯
-
세종 성추행 피해 초등생 아버지의 절규…"촉법소년이랍니다" 1
초등학생 피해자 동선 파악해 집 앞에서 기다렸다 범행 반복 피해 부모 엄벌 호소...
-
'스캠코인 의혹' 위너즈 측, 경찰 압수수색 불복해 준항고 1
"집행 절차 위반·범위 외 압수수색"…경찰 "적법하게 집행" (서울=연합뉴스)...
-
글좀써보쇼 6
너말이야 너
-
트럼프측, 바이든 회견에 대만족…"내쫓길 정도로 못하진 않아" 1
"선거에 남으면서 공화에 공격거리 제공…민주당의 최악의 악몽" (워싱턴=연합뉴스)...
-
얼버기 7
영차
-
진짜아무도없군 15
4시니까당연한건가... 시간감각이사라져서 지금 사람들 활동해야할거같음...
-
남자 여자 1대1비율입니다. 잘생긴 남자들만 모집해서 이미 마감했고 여자만 자리...
-
무잔이다!! 3
녀석은 목을 베어도 죽지 않아!!
-
천만 유튜버 쯔양도 먹잇감… 줄지 않는 ‘몰카범죄’ 1
쯔양, 전남친에 ‘유포 협박’당해 지속 폭행 피해·수익 40억 뺏겨 불법 촬영 범죄...
-
ㄹㅇ..
-
작수때 미적 응시자였는데 미적을 너무 못해서 수능때 수학만 나락가서 대학 못간...
-
질문받아요 14
빠른 조기입학 + 국제학교 중고 검정고시 -> 수능 응시 1학점듣고 반수중이에요
-
"쯔양 언니 힘내요" 보육원 아이들이 쓴 편지.."한달 살 돈" 매달 기부했던 그녀 [포착] 2
[파이낸셜뉴스] 구독자 1030만명을 보유한 먹방 유튜버 쯔양이 4년 동안 전...
-
22예비22 0
무턱대고 비율관계 X -> 비율관계를 어떻에 이용할 수 있을지 생각해보기 1....
-
부라 ㄹ 통이 가렵군
-
학교 째고 관리형 독서실 감(진짜임)
-
'정의' 내세우며 약점 협박·뒷거래…'사이버 레커' 이대로 괜찮나 2
"사이버 레커". 온라인상에서 특정 주제에 대해 자극적인 콘텐츠를 만들어내는...
-
달이 뜰 때 일어나 해가 뜨면 자고 재미도 없는 게임에다 돈을 쏟아붓고 불법 만화...
-
강대는 9모쳐서 어케비벼보고 시대 유시험이라도 응시해보고싶은데 문제는 올해3월자퇴라...
-
유튜브뭐냐 5
광고본지10초만에또광고가나온다고?
-
역시 애니는 10
새벽에 일어나서 보는 게 최고
-
미분 3
쌀가루
-
본인이 옳다고 생각하는대로 강의하는 거 당연하고 스타일 지적할 생각은 없는데 굳이...
-
질받 3
선넘 가능 신상은ㄴㄴ
-
5월 말부터 고3 맡아서 수학 과외중인데 진짜 너무 스트레스 받아서 고민중임 5등급...
-
중고등학생때 추억이... 그건 좀 슬프다...
-
3시차 지나갑니다~ 이거 듣고 자세요 다들.
-
왠 중년남성이 입었지?
-
차는 중고차가 ㄹㅇ 합리적이긴 한듯... 와 감가 진짜 심하네 ㄷㄷ
-
언매 확통 생윤사문으로 수능을본다해서 인서울한의대나 지방대가려면 어느정도 백분위를...
-
나의 사념이 이다지도 작음을 비로소 깨닫는다.
-
잠온다... 2
근데 자기싫다
-
갑자기 복소파동함수랑 물질의 이중성(?)을 지지고 볶아서 편미분방정식을 만들더니...
-
-도파-
-
다시 이악물고 핫팅..
-
대출받지마세요 10
미래의내가불행해집니다
-
Ace of Base 12
딥마인드
-
. 0
굿나잇 뽀뽀 쪽
-
연초에 여자있을때 1~3월 n제 20권풀었는데 데이트하는날만 기다리면서 한 6일내내...
항상 퀄리티 좋은 자료 제공해주셔서 감사합니다