열기관은 고열원에서 열 Q₁ 을 받아 그 가운데 일부만 일 W 로 바꾸고, 나머지 Q₂ 는 저열원으로 내보내요.
그래서 한 일은 W = Q₁ − Q₂ 이고, 받은 열 가운데 일이 된 비율인 열효율 e = W/Q₁ 은 늘 1 보다 작아요.
열역학 제2법칙에 따르면 내보내는 열을 0 으로 만들 수 없기 때문이에요.
내보내는 열 Q₂ 슬라이더를 움직이면 굵기가 에너지에 비례하는 세 화살표와 열효율이 함께 바뀌어요.
열의 일부만 일이 된다
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고열원에서 Q₁ 을 받아 일 W 를 하고 저열원으로 Q₂ 를 내보내는 열기관. 화살표 굵기가 에너지에 비례한다
300 J
👀 그림 읽기
①열기관은 고열원에서 열 Q₁ 을 받는다
②그 가운데 일부만 일 W 로 바꾸고, 나머지 Q₂ 는 저열원으로 내보낸다
③두 갈래 화살표의 굵기를 더하면 Q₁ 화살표의 굵기와 같다
④내보내는 열이 적을수록 효율이 높고, 슬라이더의 가장 작은 값 40 J 에서도 효율은 1 에 닿지 않는다
한 일과 열효율
열기관이 한 일
W = Q1 − Q2
받은 열에서 내보낸 열을 뺀 만큼 외부에 일을 한다
열효율
e = WQ1 = 1 − Q2Q1
받은 열 가운데 일로 바뀐 비율로, 0 과 1 사이의 값이다
열역학 제2법칙
🚫 효율은 1 이 될 수 없다
①내보내는 열 Q₂ 를 0 으로 만들 수 없다 (열역학 제2법칙)
②따라서 열효율 e 는 늘 1 보다 작다
③받은 열을 100% 일로 바꾸는 기관은 없다
④고열원과 저열원의 온도가 효율이 오를 수 있는 한계를 정한다
예제
예제 1
고열원에서 400 J을 흡수해 저열원으로 300 J을 버리는 열기관의 한 일과 열효율을 구하시오.
1
한 일은 W = Q₁ − Q₂ 다.
W = 400 − 300 = 100 J
2
열효율은 e = W/Q₁ 이다.
e = 100400 = 0.25
▸ W = 100 J, e = 0.25 (25%)
효율은 받은 열 Q₁ 로 나눈다. 내보낸 열 Q₂ 로 나누면 틀린다.
예제 2
열효율이 0.3인 열기관이 600 J을 흡수할 때 한 일과 버린 열을 구하시오.
1
W = e × Q₁ 로 한 일을 구한다.
W = 0.3 × 600 = 180 J
2
내보낸 열은 Q₂ = Q₁ − W 다.
Q2 = 600 − 180 = 420 J
▸ W = 180 J, Q₂ = 420 J
효율과 받은 열을 알면 한 일과 내보낸 열이 바로 나온다.
정리
핵심 정리
W = Q1 − Q2, e = WQ1 = 1 − Q2Q1 < 1
한 일은 받은 열에서 내보낸 열을 뺀 값이고, 효율은 그 일을 받은 열로 나눈 값이라 늘 1 보다 작다
2020 수능 과학탐구(물리Ⅰ) 유형 변형
열효율이 40%인 열기관이 한 번의 순환에서 200 J의 일을 한다. 이때 고열원에서 흡수한 열은?