제2법칙에 따르면 열은 스스로 낮은 온도에서 높은 온도로 옮겨 가지 않고, 받은 열을 남김없이 일로 바꾸는 기관도 없다. 마찰 · 유한한 온도차의 열전달 · 혼합 같은 비가역 과정은 고립계의 엔트로피를 늘리고, 되돌리려면 바깥에서 일이 들어가야 한다. 두 열원 사이의 카르노 사이클은 T-s 선도에서 직사각형이 되어, 직사각형 넓이가 일, 그 아래 넓이가 버리는 열이므로 효율은 η = 1 − TL/TH 다. 그림에서 고온 TH 와 저온 TL 슬라이더를 움직이면 직사각형 높이와 아래 넓이가 바뀌고, 위 줄의 효율이 함께 바뀐다.
비가역이 엔트로피를 남긴다
마찰 · 유한한 온도차의 열전달 · 혼합은 저절로 되돌아가지 않는 비가역 과정이고, 엔트로피는 그 방향을 적는 상태량이다. 가역 과정에서 받은 열을 절대온도로 나눈 Q/T 가 엔트로피 변화이고, 비가역이 끼면 고립계의 엔트로피는 늘기만 한다.
👀 두 열원
①고온 열원 TH
②저온 열원 TL
③열기관 효율의 상한 1 − TL/TH
④냉동기는 같은 두 열원 사이에서 사이클을 거꾸로 돌린다
열원 온도를 밀어 상한 보기
500 K
300 K
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η = 1 − T2/T1. COP_R = TL/(TH−TL).
T-s 선도 위 카르노 사이클. 직사각형 = 일, 그 아래 = 버리는 열
💡 지금 두 열원
①η = 40.0%
②같은 온도의 역카르노 COP_R = 1.50
③TH 를 올리거나 TL 을 내리면 열기관 효율이 오른다
④같은 쪽으로 움직이면 냉동기의 COP 는 떨어진다(두 온도가 멀어질수록 열을 퍼 올리기 어렵다)
공식은 절대온도만 받는다
카르노 열효율
η = 1 - T2T1
T 는 절대온도 K
역카르노 냉동 COP
COPR = TLTH - TL
냉동기가 저온에서 퍼 올리는 열 ÷ 들어간 일의 상한
시험 포인트와 기출 유형
🎯 시험 포인트
①제2법칙: 비가역과정 · 엔트로피
②η = 1 − T2/T1, 절대온도로
③실제 기관의 효율은 카르노보다 낮다
④℃ 에 273(정확히 273.15)을 더하면 K
📝 대표 기출유형
①[기출유형] TH=500 K, TL=300 K 카르노 효율은? (답: 1−300/500=0.4)