[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.
-
미쳣다 미쳣어
-
설맞이 풀 때 0
답지에 수록되어있는 유사 기출문제들도 시간내서 다 풀어보는게 좋을까요?? 전 지금...
-
나만 틀딱인거야? 어릴때 학교끝나면 그것만 몇번씩 계속 돌려봤는데........
-
[ebs=리트] 경제지문 수특138페이지. 분석지 pdf첨부. 0
올해 수특 138페이지 내용과 표그래프 까지 완벽히 동일한 리트지문 분서지...
-
방금전까지 계속활동해서 정체를 숨길수가없는
-
에어팟 깜빡했을때도 든든하네
-
스카'이'!
-
ㅇㅂㄱ가 뭔가요 2
일베각의 초성인가요?
-
1교시발 0
그래도오늘만나가면이번주는그냥개날먹이다버텨버텨
-
제국주의 정당회 8
제국주의 정당화하려는게 자문화중심주의라고 하면 틀린거예요?
-
뭔가 잊음을 논함 같은 거 쳐 내는 출제기조면 나올까 싶다가도 딱히 뭔가 큰 의미가...
-
나도 정병이긴한데 다른레벨같아요..
-
대우명제 멍청하지 않으면 날 욕하지 않는다
-
법지문에서 '물권변동은 공시되어야 한다.'라고 명확하게 말한 뒤에, '법률에 의한...
-
현 고2 정시파이턴데 수능전까지 수1, 2, 확통 시발점 끝날 예정인데 시발점...
-
성대 라인 10
진짜 궁금해서 물어보는건데 진심으로 서성한이라고 생각하는 사람들이 있음…? 뭐...
-
곧 보게 될 듯ㅋㅋ 아 새끼 수능 끝나고 짤리지 애매하게...
-
영어 독해 마더텅이나 자이스토리 풀 때 목적표나 도표같은 쉬운 문제도 더 푸는 게...
-
9시간 풀잠 4
그래도 졸리네
-
전역... 4
을 했습니다. 공부 다시 시작.. 군복무중이신분들 팟팅
-
디스차지? 3
이드미숑? 어드밋숑??
-
동네서점에도 없고 메가스터디에도 다 팔려버렸네
-
수능 끝나고 다푼실모 번장에서 싸개 사자!
-
정시러입니다 보통 병결로 많이 빠지다가 아주 가끔 무단 결석 3~4번 했는데 이러면...
-
지능낮다고 꼽사리주는거 수준부터가..
-
어느 정도 액수의 선물 정도가 부담 없이 받을 수 있을거 같음?
-
ㄹㅇ..
-
올해고전소설왜이리폭탄이많냐
-
진짜미친년일세 4
보편적이지 못한 수준의 지능을 보면 짜증이나는 병이 있음 아예 다운증후군이면...
-
언매미적영어생지 6모 54355 9모 33233 수능날 32233 가능할까요?...
-
러셀 이새끼 그래서 둥근 사각형 대상으로 인정해안해 이러다가...
-
이대정도면 7
여대의 특수성 이런거 다 집어치우고 객관적으로 입결이 어디쯤인가요 입시뉴비라 모름
-
아수라 0
심통성정론인가 뭔가 읽다가 엥만 50번 한듯 뭔소리냐
-
폭풍이 지나갔나 보군요
-
이젠 남들한테 시선돌려서 열폭하노
-
전통놀이가 또
-
파트1만 해도되나?
-
징맘이나 그런 사람들이랑은 다르게 불쾌하노
-
사형이다
-
날이 좋네요 1
선선하구먼
-
민주당은 자기들 이익에만 눈이 멀고 겉으로는 그럴싸해보이지만 속을 파보면 자기모순에...
-
시작
-
2일날 밀릴거 같아서 오늘 미리 신청서 보내놓으려하는데 문제없을까요?
-
그냥 떠올라서적음
항상 퀄리티 좋은 자료 제공해주셔서 감사합니다