[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.
-
응애 9
오랜만에 사골 좀 우리자
-
화작 79 0
선택과목 다맞았는데 진학사 백분위 왜 74라뜸? 3컷 79~80으로 되어있으면서...
-
-
스터디 끝 1
순공시간 2시간 반 나머지 잡담 음 굿 열심히 했다
-
피자 시켜버립 3
놀라운 건 지금 주문을 받는다는 것..
-
오노추 1
-
솔직히 말할게오 6
이시간 까지 안주무신거 보면.. 인증 보고 싶으신분들 있어서 그런 아닌가..흠
-
못참고 걍 올림 5
. 잘생겼자나 한잔해~~
-
진짜잔다 10
쿨쿨
-
나도 엽사ㅇㅈ 7
깜짝 놀라버린거임뇨
-
감격스럽다 정말
-
응ㅇㅐ나애기 16
진짜임
-
저지금엣지러너노래들음 11
소왓두유원ㅡ
-
라는상상을해봄
-
전대 수시 0
전대 수시 학종 토목 3.84인데 내신 낮은퍈일까요
-
잘생겼을 때 -> 아니 얘가 왜 잘생김? 예쁠 때-> 아니 얘가 왜 여붕이임?...
-
키작고 늙고 병든 대학생인데 어캄뇨
-
ㄹㅇ 처음이면 어케 배워야하지
-
-
2구간이라 웬만하면 뽑힐것같음 그냥 알바 하지말고 1학기에 저축해둔 돈 쓰면서 살까
-
인증 14
은 ai로 ts한 저였습니다
-
현역으로 수시, 정시 둘 다 하던 사람입니다! 6모때 12122, 9모때 12123...
-
나 서울대 한의과인데 솔직히 우리나라의 주체성을 확립하기위해 의사 면허 전부...
-
인증 9
(삭제) 조럽한개틀딱의성적
-
벌써 작년 경쟁률 1.5밴데 작년 빵이라 그런가?
-
ㅇㅈ 막타 12
전에 한 거 또 하기 펑
-
인증 왜함 8
이미 내 이미지는 밝고 명량하지만 친구관계가 서툰 귀여운 미소녀인데 이건 인증했을때...
-
여자되기빡세다 6
구글에 "여자력" 치면 나옴
-
스펙 평가좀 10
키 40 몸무게 15 연세대 우유빵 공장 재학 수학 goat 강사 세컨 연애 0번 어떰뇨
-
ㅇㅈ 6
장학금 0원 외대 씨발새기
-
반응없을까 무서워서 못하겠음 대신 현역때 성적표 ㅇㅈ
-
인증 9
(삭제) 뉴비투구게 인증
-
그냥이대로~
-
못생겨서 울었어 19
-
물리 2컷나올거는 같은데 의견 부탁드립니다
-
기타 배워보려는데 11
코드도 모르는 쌩초보는 통기타로 하는게 맞나요? 베이스나 일렉 해보고 싶은데
-
난 아무리 해도 안 되던데 솔직히 4대역학 너무 어려움.. 나랑 안 맞아
-
아
-
캬 9
-
여자력도서추천 3
책이름이 여자력 이라서 여자력도서추천
-
수능도끝나고 공군 가산점도 받을겸해서 한능검 질문드립니다 한능검 2주안에 1급...
-
배고파요
-
쿠팡신청했다 2
쎄빠지게 일하고와야지
-
그래서누가여르빈데 19
일단나는아닌듯
-
죄다여르비래
-
우제스 사가 떡밥 안올렸나 불편했겠는데
-
나만 여르빈줄 알앗음뇨
-
ㄷㄷ
-
대체 왜 여르비임? 18
을 머릿속에서 계속 반복중 아니 저새1끼마저? 배신감 개쩖
-
항상 퀄리티 좋은 자료 제공해주셔서 감사합니다