Transcript 제 20장 - myung.inje.ac
Chapter 20
열역학 제
2
법칙
(
엔트로피도입
) 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
20
장의 목표
•
가역과정 과 비가역과정 알아보기
•
열기관의 학습
•
잠열 기관 Otto Cycle 살펴보기
•
냉장고 에 열기관 아이디어 적용하기
•
열역학 제
2
법칙에 관한 문제 풀기
•
열기관 Carnot Cycle 살펴보기
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서론
(
엔트로피 증가
)
• 뜨거운 옥수수 위에 버터를 올려놓으면 녹아서 버터 옥수수가 된다 • 자연은 어디에나 그런 경향이 있다 . 탑 쌓기 놀이하다 탑이 무너지면 주변이 어질러진다 질서가 깨져 무질서해진다 . 액체가 기화하고 고체가 녹으면 • 무질서한 것을 질서 있게 하려면 에너지가 필요하다 ( 집안 청소가 좋은 예이다 ) Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
20.1
열역학적 과정의 방향
• 비가역과정 ( 건물의 폭발 ) 보다는 가역과정 ( 건물을 부분으로 해체 ) 에서 유용한 것을 얻을 수 있다 • 자연이 질서보다 무질서를 선호하는 경향이 있다 쌓는 것보다 무너지는 것이 쉽다 ) ( 탑은 뜨거운 금속 상자 안에 얼음 조각을 놓으면 얼음은 비가역적으로 녹는다 70 o C의 금속상자 40 o C의 금속상자 열은 상자에서 얼음과 물로 이동하며 결코 역으로 흐르지는 않는다 0 o C의 금속상자 0 o C의 금속상자 0 o C의 얼음 40 o C의 물 0 o C의 얼음 0 o C의 물 열은 상자에서 얼음과 물로 이동하며 그 반대로는 흐르지 않는다 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley 상자의 온도를 미소하게 올리거나 내림으로써 얼음이 녹도록 열이 얼음으로 들어가게 하거나 물이 얼도록 물로부터 열이 나오게 할 수 있다
20.2
열기관
• 열은 당연히 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다 . 이것을 열역학 제 0 법칙이라고도 한다 • 일을 할 때에는 열의 흐름이 서서히 감소할 수 있다 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
에너지 흐름 도표와 효율 • 열이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동할 때 일을 하지 않을 수도 있다 • 일을 하더라도 기관의 최대 효율은 100% 가 될 수 없으며
T
h 와
T
c 에 의존한다 온도
T
H 의 고온 열저장고 열기관 온도
T
C 의 저온 열저장고 열기관의 열효율 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
보기
20.1
보기 20.1
열기관 분석 트럭 가솔린 기관 1 회 순환과정에서 10,000 J 의 열을 흡수하고 , 2,000 J 의 역학적 일하며 가솔린의 연소열은 이다 . (a) 열기관의 열효율 (b) 1 회 순환과정에서 버려지는 열 연소되는 가솔린 양 (c) 1 회 순환과정에서 (d) 1 초당 25 순환 시 엔진의 출력 1 초당 , 1 시간당 소모되는 가솔린 양 ?
(e) (a) 열효율 (b) 1 회 순환과정에서 버려지는 열 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
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20.1
(c) 1 회 순환에서 가솔린 소모량 (d) 엔진의 출력 (e) 1 초당 , 1 시간당 가솔린 소모량 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
20.3
내연 기관
• 기화된 연료가 압축되어 폭발하면 실린더와 충돌하며 일을 한다 흡기 밸브 열림 배기 밸브 닫힘 흡기배기 밸브 모두 닫힘 점화플러그 점화 흡기 밸브 담힘 배기 밸브 열림 크랭크축 실린더 피스톤 커넥팅 로드 흡입 행정: 피스톤이 아래로 내려가 실린더에 부분적으로 진공 형성; 가솔린-공기 혼합기체가 흡기밸브를 통해 들어온다 압축 행정: 흡기 밸브 닫힘; 피스톤이 위로 움직일 때 혼합기체가 압축된다 점화: 점화플러그가 혼합기체를 점화한다 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley 출력 행정: 연소된 뜨거운 혼합기체가 팽창해서 피스톤을 아래로 밀어낸다 배기 행정: 배기 밸브 열림; 피스톤이 위로 움직여 연소 기체를 밀어내고 실린더가 다음 행정을 준비 하도록 한다
Otto
순환과정과
Diesel
순환과정 • 기화된 연료가 압축되어 폭발하면 실린더와 충돌하며 일을 한다 Otto 순환과정 등적가열 (연료연소) 단열팽창 (출력행정) Otto 순환과정의 열효율 Diesel 순환과정 연료점화, 등압가열 (연료연소) 이 과정이 Otto와 Diesel 과정의 가장 큰 차이 단열팽창 (출력행정) 단열압축 (압축행정) 등적 냉각 (배기가스 냉각) Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley 단열압축 (압축행정) 등적 냉각 (배기가스 냉각)
20.4
냉장고
(
냉매가 일을 함
)
• 냉장고는 거꾸로 동작하는 열기관이다 냉장고의 성능계수 증발기 저온 저압 팽창 밸브 고압 고온 냉장고 내부 냉각기 압축기 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley 압축기 바깥 공기 온도
T
H 냉장고 증발기 온도
T
C 냉장고 내부 팽창 밸브 냉각기
냉방기
,
좋은 설치 장소 뜨거운 공기 냉각기 팽창 밸브 더운 바깥 공기 압축기 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley 송풍기 차가운 공기 증발기 덥고 습한 공기
20.5
열역학 제
2
법칙
• 아무것도 하지 않으면서 열을 차가운 곳에서 뜨거운 곳으로 이동하게 하는 기계는 만들 수 없다 열역학 제2법칙의 “열기관” 표현 일이 필요 없는 냉장고 불가능 열기관 동치 불가능 100% 효율의 열기관 만약 일이 필요 없는 냉장고가 가능하다면 보통의 열기관과 결합하여 열을 완전히 일로 바꿀 수 있는 열기관을 만들 수 있을 것이다 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
열역학 제
2
법칙 어떤 계도 어떤 온도의 열원에서 흡수한 열을 모두 일로 바꾸고 처음상태로 돌아가는 과정을 밟을 수 없다 어떠한 열역학적 과정도 단지 열을 찬 물체에서 뜨거운 물체로 보내는 것은 불가능하다 열역학 제2법칙의 “냉장고” 표현 불가능 100% 효율의 열기관 냉장고 동치 불가능 일이 필요 없는 냉장고 만약 100% 효율의 열기관이 가능하다면 보통의 냉장고와 결합하여 일을 하지 않고 저온에서 고온으로 열을 보낼 수 있는 일이 필요 없는 냉장고를 만들 수 있을 것이다 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
• •
20.6 Carnot
순환 과정
사고 실험으로 가장 효율적인 열기관을 생각할 수 있다 등온팽창 , 단열팽창 , 등온압축 , 단열압축의 가역과정 Carnot 기관의 열효율 단열압축 등온팽창 단열팽창 등온압축 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
20.7
엔트로피
(
자동차가 가는 것
?)
• 무질서 는 우주의 자연스러운 방향이다 . 폭죽의 폭발은 매우 빠른 고체의 연소이다 .
• 우주 내 모든 현상은 무질서도 ( 엔트로피 ) 를 증가 시키는 방향으로 일어난다 .
가역과정에서 엔트로피 변화 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
보기
20.4
보기 20.4
가역적 융해과정에서 엔트로피 변화 0 o C 1 kg 얼음이 0 o C 물로 바뀔 때 엔트로피 변화 ?
( 물의 융해열 : ) 얼음이 녹을 때 필요한 열 엔트로피 변화 수소 결합 물 분자 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
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20.5
보기 20.5
온도 변화에 따른 엔트로피 변화 0 o C 1 kg 물이 100 o C 가 되었을 때 엔트로피 변화 ?
미소 온도 변화 시 필요한 열 엔트로피 변화 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
엔트로피는 보존되지 않는다 • 비가역과정은 수많은 작은 나누어 생각할 수 있다 Carnot 순환과정으로 이상기체에 대한 가역 순환과정 등온선 순환과정의 경로를 여러 카르노 순환과정으로 근사
a
에서
b
로 향하는 두 경로 (1 과 2): 두 경로에 대한 엔트로피 변화는 같다 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
20.8
엔트로피에 대한 미시적 해석
• 엔트로피를 미시적으로 수 있다 다룰 거시적 상태 앞면 4 개 • 앞면 뒷면 3 개 1 개 동전던지기는 통계적 사건의 이해를 위해 자주 사용된다 . 동전을 원자나 분자처럼 생각하려면 하고 개수도 많아야 한다 ( 앞면 뒤면 외에 ~ 10 23 정도로 ) 여러 가지 경우의 수가 있어야 앞면 뒷면 2 개 2 개 미시적 상태 앞면 뒷면 1 개 3 개 엔트로피에 대한 미시적 표현 뒷면 4 개 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
미시적
,
통계적 모형으로서의 기체
-
보기
20.8
보기 20.8
엔트로피 변화의 미시적 계산 온도 T 인 이상기체
n
몰이 있는 단열 상자의 중간 막이 깨진 후 자유 팽창에 의한 엔트로피 변화 ?
분자수 막이 깨지기 전 상태수와 부피 부피가
V
인 기체; 미시상태 수 =
w
1 부피가 2
V
인 기체; 미시상태 수 =
w
2 = 2
N w
1 막이 깨진 후 상태수와 부피 엔트로피 변화 Copyright © 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley
열역학 제 3 법칙 열역학 제
3
법칙 물리적 방법으로 절대온도
0
도에 도달 할 수없다
.
단
,
그 근처까지 갈 수 있지만
.
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