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건축설비기사 건축설비계획 · 열역학의 기본법칙과 사이클

Thermo Laws & Carnot Cycle

제1법칙은 에너지가 보존된다는 것, 제2법칙은 열이 저절로 저온에서 고온으로 흐르지 않고 받은 열을 모두 일로 바꿀 수도 없다는 방향과 한계를 말한다. 같은 고온 · 저온 열원 사이에서는 카르노 사이클이 가장 효율이 높아, 열기관 효율 η와 냉동기 · 히트펌프 COP의 상한을 두 절대온도만으로 셈할 수 있다. 그림은 T-s 선도 위 카르노 직사각형에 η와 COP를 함께 적어요. 고온 · 저온 열원 슬라이더를 옮기면 직사각형 높이가 바뀌고, η가 오를 때 냉동 COP는 거꾸로 떨어지는 모습을 볼 수 있어요.

제1법칙과 제2법칙

⚖️ 보존과 방향
①제1법칙: Q = ΔU + W (에너지 보존)
②제2법칙: 열은 저절로 저온 → 고온으로 흐르지 않는다
③받은 열을 100% 일로 바꾸는 기관은 만들 수 없어요
④같은 두 온도 사이에서는 카르노 효율이 상한이다

카르노 사이클의 T_h · T_c 바꿔 보기

800 K
300 K
💡 관찰
①η ≈ 62.5% = 1 − T_c/T_h
②냉동 COP_R ≈ 0.60, 히트펌프 COP_H ≈ 1.60
③T_h를 올리거나 T_c를 내리면 η가 오르지만, 같은 방향에서 COP_R = T_c/(T_h − T_c)는 오히려 떨어진다

핵심 공식

카르노 열효율
η = 1 - TcTh
절대온도 K로 계산하며, 같은 두 온도 사이의 상한
냉동기 COP
COPR = TcTh - Tc
역카르노 냉동 성적계수
히트펌프 COP
COPH = ThTh - Tc
COPH = COPR + 1

시험 포인트

🎯 시험 포인트
①η와 COP는 절대온도 K로 계산한다
②℃를 K로 바꿀 때는 273(또는 273.15)을 더해요
③카르노 사이클은 등온 둘과 단열 둘로 된 가역 사이클이다
④실제 기관과 냉동기는 카르노보다 낮다
📝 대표 기출 유형
①T_h = 800 K, T_c = 300 K일 때 η
②고온 927℃, 저온 27℃일 때 효율
③역카르노 COP와 히트펌프 COP의 관계
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