열역학의 기본법칙과 사이클

Thermo Laws & Carnot Cycle

제1법칙은 에너지 보존, 제2법칙은 변환의 방향과 한계를 말해요. 카르노 사이클은 같은 고·저온 사이에서 가능한 최고 효율의 기준이에요. 열기관 효율 η와 냉동·히트펌프 COP를 온도만으로 가늠할 수 있어요. 고온·저온 슬라이더로 η와 COP가 어떻게 바뀌는지 확인해 봐요.

제1법칙·제2법칙

⚖️ 보존과 방향

①제1법칙: Q = ΔU + W (에너지 보존)

②제2법칙: 열은 스스로 저온→고온으로 흐르지 않는다

③100% 열→일 변환 기관은 불가능

④카르노 효율이 같은 두 온도의 상한

카르노 Th·Tc 시뮬

고온 열원 T_h800 K

저온 열원 T_c300 K

💡 관찰

①η ≈ 62.5% = 1 − T_c/T_h

②냉동 COP_R ≈ 0.60, 히트펌프 COP_H ≈ 1.60

③T_h↑ 또는 T_c↓ → η↑ · COP도 온도차에 민감

핵심 공식

카르노 열효율

η = 1 - T_cT_h

절대온도 K, 같은 두 온도의 상한

냉동기 COP

COP_R = T_cT_h - T_c

역카르노 냉동 성적계수

히트펌프 COP

COP_H = T_hT_h - T_c

COP_H = COP_R + 1

시험 포인트

🎯 시험 포인트

①η·COP 계산은 반드시 절대온도 K

②℃ → K 는 +273 (또는 +273.15)

③카르노 = 등온 2 + 단열 2, 가역 기준

④실제 기관·냉동기는 카르노보다 낮다

📝 대표 기출 유형

①T_h=800 K, T_c=300 K 일 때 η

②고온 927℃, 저온 27℃ 효율

③역카르노 COP와 히트펌프 COP 관계