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[칼럼] 스압) 열역학 제 1법칙 - (1)

ㅇㅇ(116.121) 2020.12.19 00:12:00
조회 2349 추천 16 댓글 3
														


[컴터로작성함]


스압/교과외) 열역학 제 1법칙 - (2)


말 그대로 열역학 제 1법칙에 대해 다루겠읍니다..


사진이 많아서 2개로 나눠 작성합니다.


(1)은 개념위주에 반복이 많고, (2)는 수식전개가 주를 이룹니다.


그리고 (1)에선 당연한소리 계속할거임



서론으로, 열역학은 기출을 본격적으로 풀 때


많이 질문하는 파트이기도 함


그래서 그때 열역학 1법칙에 대해 설명했던내용들을


재구성해서 칼럼에 담았고


기본적인 열역학개념은 알고있다고 가정함



이건 테크닉을 알려주는 칼럼이 아니라


풀이 중에 애매한 상황들을 그냥 넘기지않게


개념을 확장시키는 칼럼임




머 요샌 평가원이 그렇게 중요하게 다루는거같진 않음...


아마 내신에서 더 중요할 칼럼인거같아


슬프다


====== ==================

피드백, 지적주시면 판단 후에 수정하겠습니다

====== ==================



---------------------------------


목차


1) T에 관하여


2) Q = u + W 다이어그램


3) Q, u, W 해체


---------------------------------




1. T에 관하여


T는 온도임


근데 온도를 뜨거운거요~ 이런식을 해버리면


헷갈리는 상황이 생길때 난감하겠죠? 기준이없으니까



그래서 온도를 분자의 운동과 엮어서 표현하겠습니다.


간단하게 복습 한번 해뵤면


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1) 내부에너지는 분자 전체의 운동에너지다


2) 내부에너지의 값은 3/2nRT이다.


3) n, R 값은 상수이므로 내부에너지의 델타값도 T를 델타값으로 정해집니다.



이정도는 열역학 파트에서 지겹도록 말해줄거고


(아래쪽에 이것저것 적어놨는데 무시하셈.. 설명하려다가 길어서 생략함)



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이걸 통해서 T 값은 분자들의 운동에너지에 비례하여


결정할 수 있다는 걸 알게됩니다.


T를 뜨겁다는 개념보다는 이렇게 이해하시는게 좋습니다.





2. Q = u + W 다이어그램


열역학 법칙은 총 4개임


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그중에서 우리가 다루는건 1법칙임


일종의 에너지 보존법칙인데 자세한건 생략하고



여기서 중요한건 Q = u + W 앞에 싹다 델타가 붙어있음


즉, 보유량이 아니고 변화량이라는거임


안타깝게도 디시 글쓰기에서는 델타를 못쓰니까


그냥 Q, u, W 라고 쓸건데 앞에 델타가 붙어있다고 생각해줘



이번에는 Q = u + W 확 와닿게


더 직관적으로 표현해볼게


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Q = u + W은 위 그림처럼 나타낼 수 있음


즉, Q = 출입한 열량 ( 안으로 들어온 열량이 +값)


W = 주거나 받은 일 ( 밖에 일해준게 +값 )


로 나타낼 수 있고


일하고 남은 에너지는 내부에너지의 변화에 쓰여


이 과정을 각종 예시로 나타내면


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예시 1)


1) 바깥의 파이프로부터 열량 Q를 받음


2) 프로펠러를 돌리는데 일 W만큼 외부에 사용


3) 남은 내부에너지 u는 박스 내의 내부에너지 변화에 쓰임



예시 2)


1) 바깥의 연료의 연소로부터 열량 Q를 받음


2) 피스톤을 움직이는데 일 W만큼 외부에 사용


3) 남은 내부에너지 u는 박스 내의 내부에너지 변화에 쓰임



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또한 앞에서 말했듯이, 그림에서 위 방향에


맞춰서 움직인 요소들은 + 값을 가져


예를들면 예시 1에서 파이프로 들어온 열량은 +


프로펠러를 통해 외부로 사용된 일도 +


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그 반대로 움직이면 음수가 되는거지


예를들면 냉각을통해 열량이 빠져나가면 -


외부에서 피스톤을 압축시켜서 일을 받으면 -


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간단하게 한번 이 과정을 분석해보자


외부와 단열된 피스톤이 압축을 받았으면


W값은 음수를 가지겠지?


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이때 단열된 상태니까 열량의 출입은 0이니 Q = 0


따라서 위와같이 내부에너지의 변화량이 양수이니


결국 '피스톤 압축 -> 내부에너지의 증가'


라는 결과를 낳는 메커니즘이 성립하는거지



이걸 그림으로 나타내면,


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대충 이런식으로 직관적인 이해가 가능할 것 같아


참고로 단열계에 외부에서 열량을 넣어주면


그 단열계는 항상 '내부에너지의 변화량 >= 0' 식이 성립


단열계 사이에 피스톤을 놓아서 2개로 공간을 나눠도 성립하고


피스톤을 2개 놓아서 공간을 3개로 나눠도성립하는데


많이 복잡해지니까 증명은 생략할게




2. Q, u, W 해체


이번에는 Q, u, W를 각각 더 자세하게 얘기해볼게


Q, u는 간단하게 설명할거고 사실 W가 가장 중요해


그리고 듣다보면 정~말 당연한얘긴데 굳이 왜 하냐면


열역학 계를 복잡하게 그려놓은 문제에서는


오답률이 꽤 높에 나오더라고 그래서 하는거임



Q는 앞서 말한것처럼 출입한 열량이야


외부에서 들어온 열량은 +


밖으로 빠져나간 열량은 -로 표시해


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간단하게 그림으로 그렸는데



오른쪽에 옷입은사람은 사람이 옷을 입으면


따뜻해지는걸 표현한거임


옷을 통해서 열이 일부만 바깥으로 전달됨


나머지는 다시 돌아오면서 피부를 따뜻하게함


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암튼 열량은 이정도만 이해하면 될것같고


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내부에너지의 경우는 앞에서 말한것처럼


계 내의 분자 전체의 운동에너지임


참고로 학부올라가면 u랑 U랑 쓰임새가 다른데


아직은 그냥 혼용해도 상관없음


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그리고 마지막으로 W값, W = PV라고 이해하는애들이 많던데


저게 굉장히 위험한거고 W는 PV가 아니라 일의 양임


앞에서도 일의 양이라고 말했음 ㅇㅇ


밑에서 이걸 그림으로 다시 한번 더 구체화시키면


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1) 터빈을 돌리는데 W를 외부로 사용함


2) 부피를 팽창시키는데 W를 외부로 사용함


3) 피스톤이 부피를 압축시키며 W를 외부에서 받음


이렇게 이해하면되는거임


딱 봐도 일은 PV가 전혀아니죠?


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그러면 W의 값은 위 같은 상황에서 상황에서 얼마임?


이라고 많이들 물어보고 그건 교육과정 내에 없음


등압과정에서 W = PV라고 단편적으로 소개했을뿐임


위 그림에서도 등온과정에서 외부에 한 일을 알고싶어도


알 길이없음


그래서 다음 장에서는 일의 정량적 계산을 소개함

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