[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.
-
지2는 필요할 것 같은데
-
참고로 밑에는 실제 gpt 답변 모음집 물론 의사경력 특유의 꽌시나 소위말하는...
-
왜 먹음 이거
-
에서 저 사람을 담당하고 있는 구밑개입니다 감사합니다
-
뭔가 편해보임 차피 평소에도 지갑 들고다니기도하고... 아 근데 얘네는 다 폰으로...
-
생명N제 추천 2
상크스. 올바원. 18모고 끝냈고 리바이벌 풀었어요 실모 전국서바랑 파이널브릿지...
-
누군가 저 때문에 성적이 오르고 목표를 이루게 되는게 기분이 너무 좋아서 내년에...
-
그분은 다 알고계신다
-
문풀하는데 얘네 좀 암기가 안되는데 걍 넘어가도 되겠죠?
-
앞으로는 헤겔 브래턴우즈 뒤로는 잊잊잊 할매턴우즈 존재감이 그냥 증발해버렸네
-
예를들어 어떤 연구에서 독립변인이 친밀도이고이를 개념의조작적 정의를 한게 대화시간...
-
3살 차이인데 .. 지금 머리가 하애져써요
-
산타느라 너무 힘들어서 오늘은 말아먹었습니다 낼 12시간 찍겠습니다 감사합니다
-
등급 낮은 사람이 (준)킬러 문제 물어보면 무슨 생각드심? 특히 수학 예를들어...
-
국어 깨달음 4
국어 뭔가 깨달음을 얻음요 그리고 성적이 꽤 안정적으로 변함 문학 ㅈㄴ 못했는데...
-
학원쌤이 수상하 하라고 하긴했는데 쎈b 풀지말고 그냥 수꼭필 힌번 들어도...
-
포만한 초고능아 미쳤네 11
아니 근데 매년 올라오는 전국 한자리수 씹goat들은 예외없이 물리를 꼭 끼워넣는듯
-
제발 병먹금 좀 0
ㅈㄱㄴ
-
고2 10월쯤에 만들어서 고3 개학 전인 올해 3월에 비활했는데 팔로워는 600정도...
-
그냥 문제 출제의도? 자체가 너무 ㅈ같음 전체적 배경은 식민지 근대 하층민의 생활을...
-
이로운 이해원 1
실모 이로운이랑 이해원 중에 뭐가 좋나요?? 좀 얻어갈 게 있는 거요
-
ㅅㅂ ㅈㄴ 헷갈리네 진짜
-
과거의 내가 너무 이쁨 빤짝거리는거 같아 뭣모르고 그냥 맨낳 즐거웠던거 같고...
-
예전에 면접 보러 갔었는데 라파엘관을 못찾겠는거임 그래서 거기 재학생으로 추정되는...
-
김승리 총정리 과제 풀다보면 8분 9분씩 걸리는데 어케 빨리 쳐내나요?
-
바보같은 질문인거 알지만 아침 7시에 독재 가서 11시쯤 집 들어오면 폰 안보고...
-
평소에 살기를 중상모략을 업으로 삼고 살던것들이니 짐에게도 똑같이 하는구나
-
재미있는 사실 4
쉽다, 용이하다 등의 의미로 사용되는 '수월하다'의 어근 '수월'은 한자어가 아니다...
-
현장에서 본 사람들은 뭐가 제일 ㅈ같았음?
-
총정리 과제 공약 11
1틀 당 5천덕 뿌림
-
엠스킬 한 번 들었습니다 근데 도표가 너무 약합니다 개념은 너무 복잡하게 꼬아놓은...
-
아이보리 후드안에 검은티 어떤가요 안입어봐서 모르겠네
-
수능끝나면 마저 다해야지
-
아침에 일찍 일어나게 해주셔서 감사합니다. 맛있는 야채곱창먹게 해주셔서 감사합니다....
-
였으면서 학종하겠다고 생각하고 학교선택한 중3때 내가 너무 웃김. 기가 40점...
-
어짜피 과탐 가산점 안주는 사탐 응시 가능한 공대는 사탐런 현상으로 인해 미적...
-
잠에 들자꾸나
-
2025년 09월 모의평가에 나온 공정거래법 관련 지문에 나온 문제의 1번 선지에...
-
다시 출발 14
-
현재 08년생 고1입니다. 경기도에 있는 갓반고 다니고 있습니다. 1학기 내신은...
-
회원에 의해 삭제된 글입니다.
-
악해뷰이거든
-
들어보신분 후기좀요?
-
sqrt3:2 4
60도로 발사한 포물선을 3등분하면 y성분과 x성분 비가 위와 같다 이게 틀린 건지...
-
전 이렇게 풂 강기원T 해설이 뭔가 저랑 방향이 달라서 다른 어떻게 푸셨나 궁금함
-
월수만가면된다 4
9월 10월 이렇게 편해도 되나요 11월이너무두렵다
-
뛰에 빨간펜이 수학과탐풀때 ㄹㅇ 맛도린데
-
더 늦기 전에 깨닫길 바라며 1. 도약 우리는 겉과 속이 다른 사람을 위선적인...
항상 퀄리티 좋은 자료 제공해주셔서 감사합니다