제2법칙의 필요와 열을 다루는 장치 | 기초 열역학 2.3.1-1
기초 열역학Chapter 02 열역학 법칙과 이상기체 › Section 03 열역학 제2법칙
2.3.1-1 제2법칙의 필요와 열을 다루는 장치
제1법칙은 양을 맞춰 주지만 어느 쪽으로 일어나는지는 말해 주지 않음. 그 빈자리를 메우는 것이 제2법칙임. 열기관·냉동기·열펌프 세 장치를 목적과 성능 지표로 갈라 봄.
01제1법칙의 한계 — 양은 맞춰도 방향은 말해 주지 않음교재 99p
- 제1법칙이 알려 주는 것 — 에너지의 양(quantity)이 보존됨. 들어온 만큼 나가고, 나간 만큼 어딘가에 쌓임.
- 알려 주지 못하는 것 — 에너지 변환의 방향(direction). 어느 쪽으로 일어나는지는 가려내지 못함.
- 앞 편까지 본 정적·정압·등온·단열 — 넷 모두 들어온 에너지와 나간 에너지를 맞추는 셈. 그 빈자리가 제2법칙의 몫.
- 열역학 제2법칙 — 과정의 방향성을 지배하고 에너지 변환의 근본적인 한계를 설명하는 법칙.
02자연 현상의 방향 — 저절로 되돌아가지 않음교재 99p
- 뜨거운 커피 — 내버려 두면 저절로 식음. 거꾸로 차가운 커피가 저절로 뜨거워지는 일은 없음.
- 물에 떨어뜨린 잉크 — 저절로 퍼짐. 퍼진 잉크가 저절로 한 방울로 뭉치지는 않음.
- 거꾸로 가는 쪽도 에너지 총량은 보존됨 — 제1법칙만으로는 어느 쪽이 실제로 일어나는지 가려낼 수 없음.
- 자연계의 모든 현상이 정해진 방향으로만 일어남 — 이 방향성이 제2법칙이 다루는 자리.
03열기관 — 받은 열의 일부만 일이 됨교재 99p~100p
- 열기관(Heat Engine) — 열(Q)을 일(W)로 바꾸는 장치. 자동차 엔진·발전소 터빈.
- 세 걸음 — 고온(TH)에서 열(QH)을 받음 → 일부를 일(Wnet)로 바꿈 → 나머지를 저온(TL)으로 버림.
- 열효율 η — 투입한 열 대비 얻어낸 일의 비율. η = Wnet / QH × 100% (식 2.28).
- 되풀이해 돌아가는 장치에서는 저온으로 버리는 QL 을 0 으로 만들 수 없음 — 이것이 제2법칙의 핵심.
04냉동기와 열펌프 — 장치는 같고 목적만 다름교재 101p~102p
1냉동기 COPR
- 저온의 공간을 더 차갑게 유지 — 냉장고·에어컨.
- 일(Wnet)을 넣어 저온(TL)에서 열(QL)을 빼앗고 고온(TH)으로 버림.
- COPR = QL / Wnet (식 2.29).
2열펌프 COPH
- 고온의 공간을 더 따뜻하게 유지 — 난방용 에어컨.
- 원리는 냉동기와 같고, 고온(TH)으로 열(QH)을 공급하는 것이 주 목적.
- COPH = QH / Wnet (식 2.30).
두 식의 분모는 같고 분자만 바뀜 — 같은 장치라도 무엇을 얻고자 하는가에 따라 성능 지표가 갈림.
05세 장치 견주기 — 무엇을 얻고 무엇으로 나누는가교재 99p~103p
| 장치 | 목적 | 성능 지표 |
|---|---|---|
| 열기관 | 열을 일로 바꿈 | η = Wnet / QH |
| 냉동기 | 저온을 더 차갑게 유지 | COPR = QL / Wnet |
| 열펌프 | 고온을 더 따뜻하게 유지 | COPH = QH / Wnet |
열기관만 분모가 받은 열량이고 나머지 둘은 투입한 일 — 분모가 곧 「무엇을 들였는가」. 셋 모두 고온부와 저온부 두 열원 사이에서 움직이고, 얻으려는 것만 다름.
자주 어긋나는 자리
- 성능계수는 1 보다 클 수 있음 — 넣은 일보다 많은 열을 옮기는 것일 뿐 에너지를 만들어 내는 것이 아니므로 제1법칙을 어기는 것이 아님. 열효율과 달리 보는 눈이 필요한 자리.
- COPH = COPR + 1 — 고온부로 나가는 열이 빼앗은 열에 투입한 일을 더한 값(QH = QL + Wnet)이어서 분자만 그만큼 커짐.
- 전기난로처럼 넣은 일을 열로 바꾸기만 하면 딱 1 에서 그침 — 열펌프는 저온부에서 열을 더 길어 오므로 COPH 가 언제나 1 보다 큼. COPR 은 1 보다 작을 수도 있음.
06예제 — 갈래만 보이고 답만 짚고 감교재 99p~103p
교재 99p~103p 에 예제 10개(2.66~2.75)가 있음. 쓰이는 관계는 QH = Wnet + QL 하나와 성능 지표 세 식뿐.
| 예제 | 묻는 것 | 답 |
|---|---|---|
| 2.66 | 열기관이 한 일 | 200kJ |
| 2.67 | 열기관의 열효율 | 25% |
| 2.68 | 열기관이 한 일 | 200kJ |
| 2.69 | 저온부로 방출한 열량 | 360kJ |
| 2.70 | 냉동기의 성능계수 | 3 |
| 2.71 | 냉동기에 필요한 일 | 200kJ |
| 2.72 | 고온부로 방출한 열량 | 500kJ |
| 2.73 | 열펌프의 성능계수 | 4 |
| 2.74 | 고온부에 공급한 열량 | 1000kJ |
| 2.75 | 난방용으로 쓸 때의 성능계수 | 4 |
풀이 과정은 교재 100p~103p 에 있음.
이 절의 핵심 정리
- 제1법칙은 에너지의 양만 보증하고, 변환의 방향은 제2법칙이 다룬다.
- 열기관의 열효율은 η = Wnet / QH × 100% 이다.
- 냉동기의 성능계수는 COPR = QL / Wnet 로 구한다.
- 열펌프의 성능계수는 COPH = QH / Wnet 이며 언제나 1보다 크다.
- 같은 장치에서 COPH = COPR + 1 의 관계가 성립한다.
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