Transcript 제 19장 - myung.inje.ac

Chapter 19
열역학 제 1 법칙
(에너지보존법칙)
PowerPoint® Lectures for
University Physics, Twelfth Edition
– Hugh D. Young and Roger A. Freedman
Lectures by James Pazun
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
19 장의 목표
• 열역학 과정에서 열과 일 알아보기
• 열역학 제 1 법칙의 학습
• 주요 열역학 과정 살펴보기
• 이상기체에 열역학 적용하기
• 단열과정의 학습
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
서론
• 증기기관차는 증기 엔진으로
간다. 연료가 연소될 때
불꽃이 뜨거울 수록 바퀴를
회전시킬 에너지가 더 많이
나온다. 같은 원리로,
에어컨과 열 펌프도 작동된다
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
19.1 열역학 계
•
계와 주위 환경의 정의
•
계와 주위 환경 사이의 일과 부호 결정
•
계와 주위 환경 사이의 열 교환과 부호
결정
주위 환경
계
일은 계에 의해
행해지면 양이고 계에
행해지면 음이다
열은 계로 들어오면
양이고 계 밖으로
나가면 음이다
주위 환경
계
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
19.2 부피 변화 중 행한 일
• 부피 변화화 일
충돌 시 피스톤이
분자로부터 멀어진다
분자가
피스톤
으로부터
튕겨 나온다
피스톤의 운동
부피 변화 시 한 일
분자가 운동에너지를 잃게 되어
피스톤에 양의 일을 한다
계
충돌 시 피스톤이
분자 쪽으로 움직인다
피스톤의 운동
분자가 운동에너지를 얻게 되어
피스톤에 음의 일을 한다
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
계가 피스톤에
가하는 힘
일은 적분으로 계산된다
• PV 도표에서 일은 변화를 나타내는 곡선 아래
영역의 적분으로 계산된다
압력이 변화하면서
팽창하는 계에 대한 pV
그래프
압력이 변화하면서 수축하는
계에 대한 pV 그래프
일정한 압력에서 팽창하는
계에 대한 pV 그래프
빗금친 부분은 음의
일을 나타낸다
일 = 넓이
일 = 넓이
일 = 넓이
일정한 압력에서
부피 변화 시 한 일
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
보기 19.1
보기 19.1
이상기체의 등온 팽창
이상기체가 온도 T 에서 등온 팽창으로 V1 에서 V2 로
변화한다. 기체가 하는 일의 양?
일-부피-압력 관계식
이상기체 관계식
등온 과정
압력으로 표현하기 위해
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
PV 도표에서 경로와 일
• 시작점, 끝 점, 경로 모양 모두 중요하다
상태 1로부터 상태 2로 가는
세 가지 경로
일정한 압력 p1에서 부피가
V1에서 V2로 증가한 후…
일 = 넓이
일정한 부피 V1에서 압력이 p1
에서 p2 로 감소한 후…
… 일정한 압력 p2 에서 부피가
V1 에서 V2 로 증가한다
압력이 p1 에서 p2 로
감소하는 동안 부피가 V1
에서 V2 로 증가한다
일 = 넓이
일 = 넓이
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
… 일정한 부피
V2 에서 압력이
p1 에서 p2 로
감소한다
19.4 내부 에너지와 열역학 제1법칙(에너지보존법칙)
• 열역학 제1법칙은
계가 한 일과 계에
전달된 열에 의한
내부에너지의 변화를
나타낸다
계가 한 일보다 많은 열이 들어옴:
계의 내부 에너지가 증가
주위 환경
계
계에 해준 일보다 많은 열이 계 밖으로
흘러 나감: 계의 내부 에너지가 감소
주위 환경
열역학 제1법칙
계
계가 한 일과 계에 들어온 열의 양이
같음: 계의 내부 에너지는 변화 없음
열역학 제1법칙,
미소과정
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
주위 환경
계
순환 과정과 고립계(사람 –하루 동안 에너지변화)
점심
(1 시간)
일과 후
(4 시간)
저녁
(1 시간)
오전 일과
(4 시간)
아침
(1 시간)
운동
(1 시간)
공부,TV 보기
(4 시간)
잠
(8 시간)
합계
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
19.5 열역학적 과정의 종류(압력밥솥은?)
• 단열과정
• 등적과정
계가 피스톤에 일을 한다;
가열기가 계를 가열
상태 1
상태 2
(W > 0 & Q > 0)
• 등압과정
300K
기체
• 등온과정
계는 일을 하지 않는다;
열이 계에 드나들지 않음
상태 1 단열 상태 2
진공
(W = 0 & Q = 0)
깨질 수 있는 칸막이 300K기체
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
열역학 과정과 PV 곡선
• PV 곡선에 나타낸 열역학 과정들
등압과정
등온과정
등적과정
단열과정
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
19.6 이상기체의 내부 에너지
단열
진공
깨질 수
있는
칸막이
온도 T
의 기체
이상기체 내부에너지는 온도에 따라서만 변하며, 압력과
부피에 따라서는 변화하지 않는다
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
19.7 이상기체의 열용량
• 부피가 일정할 때 열용량은
bomb 열량계를 이용해서
복잡한 과정을 거쳐서
측정할 수 있다
• 압력이 일정할 때 열용량은
커피 컵과 같은 간단한
도구로 측정할 수 있다
일정한 부피
부피가
고정된
용기
n 몰의
이상기체
가열
일정한 압력
몰열용량
피스톤 운동
압력이
일정하도록
피스톤이
움직인다
열용량 비
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
n 몰의
이상기체
가열
부피와 압력이 일정할 때 열용량의 관계
등적 과정, 기체는
일하지 않는다
등압 과정, 기체는
일을 한다
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
기체의 열용량
표 19.1 낮은 압력에서 기체의 몰열용량
기체의 종류
기체
단원자
이원자
다원자
공기의 열용량 비는?
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
19.8 이상기체의 단열과정
• 단열과정에서는 계와 주위환경 사이에 열 교환이 없다
단열 과정
단열과정, 이상기체
어느 점에서나 단열
곡선은 같은 점을
지나는 등온
곡선보다 가파르다
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
단열 변화-보기 19.7
보기 19.7
디젤 엔진에서 단열 압축
최종 압력과 온도? (공기는 g = 1.40 의 이상기체로 취급)
최종 온도
최종 압력
처음
부피
Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
최대
압축