[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.
-
일요일인데 맞팔구해요 20
잡담글에 잡담태그 다시는 분만
-
급식처럼 배식 메뉴고민없이 알아서 그날 먹게 해줌 와 스카독학 메뉴 고민 ㄹㅇㄹㅇ
-
이거 1컷몇임?
-
여러모로 레전드 ㅋㅋ 언매장지문ㅈ같이내~ 안풀면돼
-
ㅊ 발현 으로 정정 유사어 의미로 대체할 수 있게끔 정리본
-
이감 오프 모고 0
잘보면 좋은거고 못봐도 쏘쏘한건가 계속 2등급은 나오는데 시발 점수는 처참하네
-
본인 첫 아이민이 60만대였음 은테 달 만큼 친한 사람도 많았었음 (그 계정 이...
-
점메추 받아요 6
-
비슷하겠죠?
-
평타정도?
-
엄 2
-
이 친구 귀엽죠 6
-
7월 더프 국어 0
7덮 국어 87인데 1컷걸칠까요?
-
고1 자사고생인데 국어ㄹㅇ개못함어떤거들을지 추천좀부탁드림니다
-
안경 벗으니까 담배 줌
-
사실 기만한번 해보고싶었는데 기만할게 필기체 따위밖에 없어서 필기체로 기만한다는게...
-
문과는 1학년 or 2핫년1학기 빡 즐기고 그 뒤론 끼리끼리 플레이라던데 이거 맞아요?
-
n제중에서 디카프가 젤 좋다고 해서 찾아봤는데 프로모터,캔버스,어댑터,리트머스 이...
-
4시간 통학 + 주 16시간(이동시간 포함) 알바하면서 학점 최소 4.2만들면서 반수는 빡셀거 같다
-
생명 갈아넣으면 어찌저찌 될거 같기도 하고
-
역시 문만러라 살았다.... 저렙 허수 시절엔 ㅈㄴ 두들겨 맞고....벌점도...
-
12시까지 휴식 4
점심겸 휴식 하고 올게요
-
이감 오답률 근황 10
대통령께 뺨 얻어맞을 역대급 오답률 등장
-
과 후배들 팽기고 과생활 하고 이러는거도 나쁘지 않아요? 주변 공익들은 어떠나 궁금
-
수시위주로 원서 낼거긴 하다만 이왕 휴학하고 하는거 못해본 정시공부 제대로 해보고...
-
시대에 몇백 박는거보다 강대 전장이 나을 것 같기도 하고
-
손창빈T선지판단 수업 하시나용?? 한다면 언제쯤 할까용?
-
강대 스투 전장인데 통학시간이랑 수업시간이 너무 아까움 그렇다고 강사진이 대단한것도...
-
저는 녹차마루에서 돼지바로 취향이 변했습니다 원래 어머니께서 돼지바를 제일...
-
연대 간 다음 고뱃달고 오르비에서 헛소리하기가 제 버킷리스트에 있어요.
-
설맞이 풀고싶다 1
드릴끝내면 풀어야지
-
오늘 할 것 0
7더프 오답, 복기하고 내일부터 다시 돌아가야지..!
-
7덮 언매 0
88이면 2는 나올까요?
-
봇붕이들 필독 12
8월 7일 총집편 cgv 개봉 확정! 많은 관심 부탁합니다
-
늙근 틀다기는 요즘 슴살들의 말에 충격을 금치모탯서요
-
rpm 수2 분철 신청할려고 하는데여 2권을 분철된다는데 답지, 교재 이렇게...
-
정시는 가나다군에 각각 1회씩만 지원가능하다는데 이거 다 지원해서 더이상 정시...
-
또 하나의 적 '무더위'…수험생 '여름 슬럼프' 극복하려면 1
[앵커] 일찍 찾아온 더위와 궂은 장마철 날씨에 체력이 많이 떨어졌다고 느끼시는...
-
모든걸 바꿔노아
-
문학연계 강민철 듣고있는데 익히마 문학은 뺄까요? 문학도 퀄 좋음?
-
지문 하나 통으로 날렸네 그냥 답이 없다 ㅅㅂ
-
이번 달 목표 2
국어 고 1모고로 2등급 이상 만들기, 나비효과 완강. 수학 뉴런 수1,2미적분으로...
-
내일 코노가야지 4
흐흐 가서 오랜만에 노래를 불러주자
-
어떻게 하시나요 수학이 다른과목이랑 다르게 수1수2확통이렇게 필수 선택이 있잖아요...
-
동뱃 못달고다니겠음 13
헛소리 프리패스권같아요..
-
왜 어제 아침 이후로 안 들어왔는데 투데이가 6인 거야 염탐을당해버려...
-
카페가고싶다 8
혼자가긴 싫은데
-
3000부 판매신화 기록 지구과학 핵심모음집을 소개합니다. (현재 오르비전자책...
-
이건 봐야지 ㅋㅋ
항상 퀄리티 좋은 자료 제공해주셔서 감사합니다