[물리학I 칼럼] 열역학 법칙 P-V그래프 순환 과정
최근 수능 및 모평에서 열역학 법칙 관련 문항으로 P-V 그래프 순환 과정이 1문항씩 출제되고 있습니다.
오늘 칼럼에서는 기본적인 배경지식을 설명드리고 이를 이용해서 기출문제를 푸는 방법을 보여드리겠습니다.
어려운 유형은 아니지만 필수 유형이므로 작성해봅니다.
[CHAPTER1. 배경 지식]
1-1 '열역학 제1법칙'과 '이상기체 방정식' 관계
①온도 증가/감소 → ΔU +/-
②부피 증가/감소 → W +/-
[등압 과정]
압력 일정, 부피 증가 (이상 기체 방정식의 좌변은 증가) → 따라서 온도 증가.
부피 증가, 온도 증가 → W와 ΔU는 모두 (+) → Q=(+)
=열을 흡수해서 내부 에너지가 증가하고 기체가 외부에 일을 했다.
※ 그래프의 밑면적이 기체가 한 일의 크기이다.
[등적 과정]
압력 증가, 부피 일정 (이상 기체 방정식의 좌변은 증가) → 따라서 온도 증가.
부피 일정, 온도 증가 → W=0, ΔU=(+) → Q=(+)
=열을 흡수해서 모두 내부 에너지가 증가에 사용
※ 그래프의 밑면적이 없으므로 기체가 한 일 또는 받은 일=0
[등온 과정]
위 열역학 과정은 다음과 같이 해석합니다.
등온선 위에서 움직이며 부피 증가, 압력 감소
부피 증가, 온도 일정 → W=(+), ΔU=0 → Q=(+)
=열을 흡수해서 모두 기체가 외부에 일을 하는데 사용 Q=W
※ 그래프의 밑면적이 기체가 한 일의 크기이다.
※ 그래프의 x축인 부피와 y축인 압력의 곱이 온도와 비례하므로 등온선은 반비례 그래프 형태이며,
등온선 그래프가 원점에서 멀어질수록 온도는 높다.
[단열 과정]
Q=0인 과정. 따라서 ΔU와 W의 크기는 같고 부호는 반대.
만약 V가 증가한다면 W=(+) → ΔU=(-)이므로 온도는 감소
이상 기체 방정식이 성립하기 위해 P는 감소해야 함.
①그래프는 우하향 그래프로 그려진다.
②
부피가 증가하면 압력, 온도는 모두 감소하고
부피가 감소하면 압력, 온도는 모두 증가.
1-2 순환 과정과 열효율
① 순환 과정에 한 번 순환하는 동안 한 일 W는 +W1-W2와 같으므로 내부 면적을 구하면 된다.
② 1 사이클을 순환하면 온도 변화는 0이므로 1 사이클의 ΔU=0이 된다.
① Q2=0인 열기관, 즉 열효율이 100%인 열기관은 존재할 수 없다.
이제 위 정보들을 이용하여 최근에 출제된 PV그래프 순환 과정 문제를 풀어보자.
[CHAPTER2. 문제 풀이]
이번 칼럼에서는 24 23수능 문제만 풀어보고 다음 게시글에는 다양한 모평 및 학평 문항도 풀어서 올리도록 하겠습니다.
23 수능은 표를 이용해서 간결하게 풀었고, 24 수능은 표를 이용하지 않고 직접 적어가며 풀었습니다.
[ 2023학년도 수능 13번 ]
[solution]
부피의 증감을 통해 W의 부호 판단.
다음과 같은 과정으로 표 채우기
과정 | W + ΔU = Q | ||
---|---|---|---|
A → B | +60 | ||
B → C | +90 | 0(단열) | |
C →A | ㉠ | 0(등온) |
B → C 단열과정이므로 Q=0
C → A 등온과정이므로 ΔU =0
과정 | W + ΔU = Q | ||
---|---|---|---|
A → B | +60 | +90 | +150 |
B → C | +90 | -90 | 0(단열) |
C →A | ㉠ | 0(등온) | ㉠ |
1. 사이클 내부 에너지 합=0
2. A → B Q=W+ΔU에 의해 Q=+150
3. 열효율 0.2 흡수한 열량 +150
따라서 W=+30
A → B → C 과정에서 W=+150이므로
C → A 과정에서 W=-120=㉠
ㄱ. 단열 과정에서 부피가 증가하면 온도와 압력은 감소하므로 참.
ㄴ. 참(표 참고)
ㄷ. 참(표 참고)
답: ⑤
[ 2024학년도 수능 11번 ]
[solution]
ㄱ. A → B 온도는 상승 B → C 온도는 유지이므로 거짓.
ㄴ. 흡수하는 열량: A → B 과정에서 Q 흡수, B → C과정에서 150 흡수
한 일 +150 - 100 = +50 이므로 다음과 같은 식 성립
Q=50J 따라서 ㄴ 참.
ㄷ. 한 사이클을 순환하면 온도 변화는 0이므로 ΔU=0
ΔU:
A → B 과정: +50
B → C과정: 0
C → D과정: ?
D → A과정: +100
따라서 C → D과정은 -150J ㄷ 참.
(A → B 과정에서 W=0이므로 Q=ΔU=+50J)
(B → C과정에서 온도 변화는 없으므로 ΔU=0)
(D → A과정에서 Q=0이므로 ΔU+W=0이고 W=-100이므로, ΔU=+100)
답: ④
0 XDK (+0)
유익한 글을 읽었다면 작성자에게 XDK를 선물하세요.
-
단위는 분단위까지입니다. 예를들어 15:57로 쓰시든 1557로 쓰시든 15시...
-
얼리버드독서 5
게임은 슬 질리고 밤을새서 운동은 곤란한 관계로 무슨책인지맞추면 천덕
-
아토피심하다
-
독립운동가를 고르시오 한번 메인가보고 싶어요 답은 오후5시에 글올림
-
좀 에반디 주말은 오전~점심 도서관갈가 ,,,
-
얼버기 2
-
더워서 깻다 ㅡㅡ...
-
저런일러다어디서나오는건가요...
-
의미없나요? 적중예감 시즌프리 김승모 2,3회차 킬캠 6평대비 등등이요
-
확실히 밀어주는 과랑 안 밀어주는 과랑 교수진 차이가 너무 심한 대학이 있는데...
-
얼리버드 기상 0
라면끓여먹어야징
-
기차 지나간당 12
부지런행
-
부산->대치 3
srt 첫차가 간다
-
이상형토크 1
위에있을수록 중요함 투머치토커 좋음 : 말 끊기면 안됨 연상누나느낌 (~+2) :...
-
영어 수특 듣기 실전 3회 7~12번 사문 수특 챕터 5~6 수완 챕터 5~6
-
5시반기상인데 1
이미 자긴 그른듯
-
자랴지
-
화학 유기할까 1
외고 자퇴생인데 사탐 노잼+화학 미련으로 과탐에 뛰어들었거든요.. 재미는 있는데.....
-
사문때문에 이제서야 두번째 사탐 시작하려고요 ㅠㅠ 한지 고인물들 많나요? 암기는...
-
수도권에서 경비 저렴하게 다녀올까 하는데 해변 근처 지방 있을까요?? 왕복 10만원...
-
1. 고체, 유체, 천체 각 4주씩 12주 배포 2. 매주 화요일 18시 업로드...
-
누가 자꾸 올리니까 관심이 가네.. 재밌어보임.. 학교에서 돌 관찰 수행도 재밌긴했었지..흠..
-
약간 사투리쓰면 +a 이유는 귀여움. 그거뿐.. 사투리 안 쓰려하던데 어차피 술...
-
자는시간빼곤전부한게임만합니다...
-
진짜임 제가 지구 살아서 잘 앎
-
하아... 다 내 업보다
-
아뇨 도넛 모양인데요
-
과외 계속 진행해도 괜찮을까요? 성격은 좋으시고 잘 가르치세요ㅠ
-
잠이나 자러 가라 게이야.
-
음
-
ㅇㅇ??
-
뉴비에용
-
나중에 풀죠 머.. 생존자 5도 안되는듯
-
오늘의 영화 한줄평 : 에브리씽 에브리웨어 올 앳 원스 1
별점 ⭐️⭐️⭐️⭐️⭐️ 여러모로 내 인생을 바꿀 듯한 예감이 드는 영화 하지만...
-
메이드카페 3
저 가봤어요 썰 풀까
-
춤이고 나발이고 오늘 하루, 피부, 컨디션 등등 망칠 수 있으니 얼른 디비 자야지
-
어 다들 못자 자지마
-
너만 오면 ㄱ
-
아무도 없나? 3
조회수 체크
-
너만 오면 ㄱ
-
진짜 안경은 사회악 15
공부중이라 추레한거 양해좀.. 저건 좀 적어보이는데 눈 크기 차이가 개심해요.....
-
내 목표 6
24년 수능 잘보기 25년 설전정 입학해서 1학년동안 학점 잘 챙기고 공군이나...
-
올해 잘 풀려서 연고대 문과 간다해도 전문직 달고싶으면 최소 2 3년동안 또...
-
일단저임
-
맨날 하던데
-
영화든 드라마든 제대로 볼 수 있는게 없어요. 요즘 나오는 드라마들은 죄다 스토리가...
-
제발... 아니면 설물천 가서 탈릅한 모 옵붕이 찾아가서 밥 사달라고 한다음 복전이라도...
-
SKY 안쓰고 6메디컬 15
내신 1점 중반인데 학교 쌤은 전부터 서울대 쓰라는 식으로 유도하는데 서울대...
항상 퀄리티 좋은 자료 제공해주셔서 감사합니다