열기관과 열효율

Heat Engines & Efficiency

열의 일부만 일이 된다

버리는 열 Q₂ (Q₁=400 고정)300 J

👀 눈으로 보자

①열기관은 고열원에서 열 Q₁을 흡수한다

②그중 일부만 일 W로 바꾸고 나머지 Q₂는 저열원으로 버린다

③버리는 열이 적을수록 효율이 높다 — 하지만 0으로 만들 수는 없다

한 일과 열효율

열기관이 한 일

W = Q₁ − Q₂

흡수한 열에서 버린 열을 뺀 것이 외부에 한 일

열효율

e = WQ₁ = 1 − Q₂Q₁

흡수한 열 중 일로 바뀐 비율 — 0과 1 사이의 값

열역학 제2법칙

🚫 효율은 1이 될 수 없다

①버리는 열 Q₂를 0으로 만들 수 없다(제2법칙)

②따라서 열효율 e는 항상 1보다 작다

③흡수한 열을 100% 일로 바꾸는 기관은 존재하지 않는다

직접 구해 보자

예제 1

고열원에서 400 J을 흡수해 저열원으로 300 J을 버리는 열기관의 한 일과 열효율을 구하시오.

한 일은 W = Q₁ − Q₂.

W = 400 − 300 = 100 J

열효율은 e = W/Q₁.

e = 100400 = 0.25

▸ W = 100 J, e = 0.25 (25%)

효율은 흡수한 열 Q₁로 나눈다 — 버린 열 Q₂로 나누지 않도록 주의.

예제 2

열효율이 0.3인 열기관이 600 J을 흡수할 때 한 일과 버린 열을 구하시오.

W = e·Q₁로 한 일을 구한다.

W = 0.3 × 600 = 180 J

버린 열은 Q₂ = Q₁ − W.

Q₂ = 600 − 180 = 420 J

▸ W = 180 J, Q₂ = 420 J

효율과 흡수열을 알면 한 일과 버린 열이 바로 나온다.

총정리

핵심 정리

W = Q₁ − Q₂, e = WQ₁ = 1 − Q₂Q₁ < 1

한 일은 흡수열−방출열, 효율은 흡수열 분의 일 — 항상 1 미만

2020 수능 과학탐구(물리Ⅰ) 유형 변형

열효율이 40%인 열기관이 한 번의 순환에서 200 J의 일을 한다. 이때 고열원에서 흡수한 열은?

①300 J

②400 J

③500 J

④600 J

⑤800 J

▸ ③ 500 J

e = W/Q₁에서 Q₁ = W/e.

Q₁ = We = 2000.4

계산한다.

Q₁ = 500 J

🎯 시험 포인트

①W = Q₁ − Q₂ (흡수−방출)

②e = W/Q₁ = 1 − Q₂/Q₁

③효율은 흡수열로 나눈다(방출열 아님)

④제2법칙: e < 1 (100% 불가)

⑤W, Q₁, Q₂, e 중 둘을 알면 나머지가 결정

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