열역학: 학습 가이드

핵심 개념

열역학은 열, 일, 내부 에너지를 다룬다. 제1법칙은 에너지 보존이고, 제2법칙은 열기관이 완벽하게 효율적일 수 없다는 것이며, 온도는 켈빈으로 써야 한다.

• 이상 기체 법칙 PV = nRT는 압력, 부피, 물질의 양, 절대 온도를 연결한다. 항상 켈빈을 쓴다(K = °C + 273.15).
• 온도를 바꾸는 데 필요한 열은 Q = mcΔT이다. 상변화는 온도가 일정한 채 열을 흡수한다. Q = mL.
• 제1법칙은 ΔU = Q − W이며 W는 계가 한 일이다.
• T_h와 T_c 사이에서 작동하는 어떤 기관도 카르노 효율 1 − T_c ÷ T_h를 넘을 수 없다. 고립계의 엔트로피는 결코 줄지 않는다.

핵심 식

• PV = nRT
• Q = mcΔT
• ΔU = Q − W
• η_Carnot = 1 − T_c ÷ T_h
• ΔS = Q ÷ T
• P = kAΔT ÷ d

풀이 예제

열기관이 500 K와 300 K 사이에서 작동한다. 최대(카르노) 효율은 1 − 300 ÷ 500 = 0.40, 즉 40 %이다. 한 사이클에 고열원에서 1000 J을 받는다면 일은 최대 400 J이고 저열원으로 적어도 600 J을 내보내야 한다.

자주 하는 실수

• 기체 법칙이나 카르노 식에 °C 온도를 넣는 것. 켈빈이 필요하다.
• 일의 부호를 잊는 것. ΔU = Q − W에서 기체가 한 일은 양, 기체에 한 일은 음이다.
• 열과 온도를 같은 양으로 취급하는 것. 열은 전달되는 에너지이고 온도는 입자의 평균 에너지를 나타낸다.

연습

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