[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.
-
아는 08 고1 형 있는데 내신 어중간하게 가다 정시로 틀면 너무 억울할 것 같아요...
-
기출이고 사설이고 리트고 한 번에 읽었을때 이해 안되면 하루종일 공부하기...
-
추석 하루 문풀만 할건데 N제 vs 밀린 EBS 수특수완 1
각각 양이많아서 다 할 순 없고 대상은 수학 과학
-
수능 문학 9
어느정도로 공부해야 저렇게 해석할 수 있죠? 해석할때 팁같은게 있을까요?(고전시어 공부ing)
-
빠르게 들을 수 있는거
-
지역인재, 충청권입니다. 국수영탐(2) 3합5 정도면, 충족률이 어느 정도일까요?
-
전남 의대 1곳·대학병원 2곳 설립 추진…정부에 보고 1
의대정원 200명 내외·대학병원 1곳당 600병상 규모 전남도, 병원설립 비용...
-
경쟁률 1대1 최저만 맞추면 합격인겨? 지리네 ㄹㅇ
-
헬스장가야되는데 0
..
-
과탐 3였는데 4됐다든지..
-
28 수능만 과도기 거치고 다시 원형태 롤백 가능할까요? 2
얼마 전에 오르비에서 난 그럴거라고 확신한다는 댓글 단 사람을 한명 봐놔서
-
제가 말 그대로 노베입니다.. 고등학교 3년내내 공부 1도 안하다가 올해 7월...
-
“엄마인 줄 알았는데 고모”…日 고이즈미, 가정사 고백 1
일본의 유력한 차기 총리 후보 중 한 명인 고이즈미 신지로(43) 전 환경상이...
-
어떤가요? 결국 둘다 풀어야겠지만 확통을 시간내에 제대로풀어야 점수를 더받을 확률이 높으니까…
-
자퇴는 언제해야하나요??
-
안정2만뜨는게 목표에욤.. 개념 기출은 했고 지금 수완 바로 끝내고 솔텍 할랬는데...
-
11월22일 힘들게 예약햇는데 논술가야해서 28일로 변경힘들게완뇨.
-
신경주대학교
-
언매 골라주세요 0
강이분 김승리 선택3
-
4번에 3번이 답인 이유가, 속도항이 두 가령에서 모두 다 양수라서일텐데요. 달의...
-
구별하면 답지는 찾을수있는데 사문인지 자연현상인지 구별하는게 헷갈려요 ㅜㅠㅜ 설명좀해주실분있나여
-
여러분 오랜만이에요
-
실개완 2권 (개두꺼움) 아수라 책 배송 온거 (5권) 그 외 책 6권 ㅅㅂ 총...
-
운 10
20년째 원기옥 모으는중 자의는 아니지만.. 하..
-
010 2910 1454 로 연락주시거나 댓글, 쪽지 달아주세요. -24세 남자쌤...
-
경쟁률 최종결과 2
뒷심부족
-
작년 기준으로 참고해서 썼는데 올해는 뭐야.... 걍 인도어 이런거 쓸걸....
-
아진짜 개화나네 3
여름언제끝나 시ㅣㅣㅣㅣㅣㅣ바ㅏㅏㅏㅏ
-
이왜진
-
자괴감 드네... 수능때도 이러면 큰 일 나는데 너무 슬퍼ㅠ
-
오르비 입시 끝나고 2년만에 접속하네요~ 질문받슴돠
-
작년엔 붙는내신인데 재작년은 떨어졌을거같은데 하.....
-
언매 파이널 0
다들 뭐들으심 ??
-
이상적인 성적 상승 23
여러분들은 평균 백분위 70? 정도부터 한 6개월 공부한다 쳤을 때 평균 백분위...
-
지금까지 풀어본거 세봤는데 30개네
-
지역자사고라서 내신받기가 어렵네요. 정시중심으로 준비해야될거 같아서 고민입니다....
-
여름엔 별로 안 보엿는데
-
내 학과 작년에 5.x:1이였는데 왜 ㅇㅈㄹ났지.... 진짜 허수가 들어온건가 ㄹㅇ...
-
그냥 쉬련다,, 하루종일 물2만 했더니 우으으..
-
자사곤데 일반고로 체크하면 어케되나요...
-
꾸준히 오르비에서 활동하는 대학생들 정말 대단한 것 같음..눈치보임..
-
근데 현역 정시파이터는 기하 좀 해라 정신좀차려 미적 45등급 왜 미적하는지 모르겠음 진지하게..
-
교대 가는 케이스가 있을까 ..옛날엔 놀랍게도
-
어려서부터 꾸준히 또는 고등학고 들어와서부터 2-3년간 하루8시간씩 했겠지? 우리반...
-
지금 어케 됐을지 생각만 해도 아찔함... 올해 1월까지만 해도 진짜 리부트에서...
-
궁금하다고
-
40점 넘음 42
항상 퀄리티 좋은 자료 제공해주셔서 감사합니다