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공조냉동기계기사 공조냉동설계 · 일과 열, 열역학 제1법칙

Work, Heat and the First Law

일과 열은 계의 경계를 지나며 주고받는 에너지이고, 동력은 일을 시간으로 나눈 값(W = J/s)이다. 밀폐계에서는 받은 열 Q 에서 계가 한 일 W 를 뺀 만큼 내부에너지가 바뀌어 ΔU = Q − W 가 되고, 정상 유동 개방계에서는 그 자리에 엔탈피 차 ΔH 가 온다(운동 · 위치 에너지는 무시). 그림은 Q · W · 그 차를 나란히 세운 막대이고, 밀폐계 · 개방계 버튼은 셋째 막대를 ΔU 와 ΔH 로 바꾼다. 열 Q 와 일 W 슬라이더를 움직이면 셋째 막대가 Q − W 를 따라가고, 일이 열보다 커서 음수가 되면 보라색으로 바뀐다.

제0법칙이 온도를 정한다

두 계가 셋째 계와 각각 열평형이면 두 계끼리도 열평형이고, 이것이 온도계로 온도를 잴 수 있는 근거다(제0법칙). 일은 힘이 경계를 움직일 때 생기고, 열은 온도 차 때문에 경계를 지난다. 동력은 단위 시간에 한 일이다.

👀 일과 열 · 제0법칙 · 제1법칙
①일과 열의 정의 및 단위
②일이 생기는 계(피스톤 · 축 · 전기 등)
③제0법칙: 온도
④제1법칙: 밀폐계 · 개방계

열과 일을 밀어 수지 보기

50 kJ
20 kJ
💡 지금 수지
①Q = 50 kJ, W = 20 kJ
②Q − W = 30 kJ (밀폐계 ΔU, 정상 유동 개방계 ΔH)
③개방계 정상 유동은 내부에너지 대신 유동일이 더해진 엔탈피로 수지를 쓴다
④부호 약속: Q 는 계가 받은 열, W 는 계가 한 일이다

열전달 세 갈래

제1법칙 밀폐계
ΔU = Q - W
계가 받은 열 Q, 계가 한 일 W
관류열량
Q = K A ΔT
열관류: 전도와 표면 대류를 한 계수 K 로 묶은 식
📏 일과 열의 비교
①둘 다 과정량이다
②일은 조직된 에너지, 열은 무질서한 전달
③일은 엔트로피를 옮기지 않고, 열 Q 는 Q/T 만큼 엔트로피를 옮긴다
④전도(고체 속) · 대류(유체 흐름) · 복사(전자기파, 절대온도의 네제곱에 비례)

시험 포인트와 기출 유형

🎯 시험 포인트
①일과 동력 · 열전달의 기초
②제0법칙 · 제1법칙(밀폐계 · 개방계)
③ΔU=Q−W
④Q = KAΔT 는 부하 계산의 관류열과 같은 식
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 밀폐계에 Q=50 kJ, W=20 kJ 이면 ΔU는? (답: 30 kJ)
②[기출유형] 제0법칙이 정의하는 것은? (답: 온도, 열평형)
③[기출유형] 동력의 단위는? (답: W = J/s)

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