오토 사이클의 열역학적 해석 | 기초 열역학 3.1.2-2

기초 열역학Chapter 03 열역학 사이클 › Section 01 내연기관과 사이클

3.1.2-2 오토 사이클의 열역학적 해석

네 과정에서 열이 드나드는 자리와 그때 쓰는 식. 받는 열과 버리는 열, 순수 일까지 결론 식만 한자리에 모음.

교재 수록 위치
교재
『기초 열역학』 · 2026년 개정판 · 283쪽
단원
Chapter 03 열역학 사이클 › Section 01 내연기관과 사이클
쪽수
138p ~ 142p5쪽
세부 내용
02 오토 사이클 — 3 오토 사이클의 열역학적 해석138p~142p

01열이 드나드는 자리 — 정적 과정 두 곳뿐교재 138p

  • 앞 편에서 받은 것 — 4행정과 4과정의 짝, 그리고 PV 선도와 TS 선도 위의 네 상태.
  • 정적 가열 2→3 — 열을 받는 자리. 여기서 Qᵢₙ 이 들어옴.
  • 정적 방열 4→1 — 열을 버리는 자리. 여기서 Qₒᵤₜ 이 나감.
  • 선도에서 찾는 법 — PV 선도에서는 곧게 솟고 내리는 두 선, TS 선도에서는 휘어진 두 선.
  • 단열 두 과정 — 열 출입이 아예 없음. 효율을 따질 때 볼 곳은 정적 두 과정뿐.

02출발점 — 정의 하나로 열량 둘의 비만 남음교재 138p

  • 이론 열효율(ηth) — 공급된 열에너지에 대한 순수 일의 비율. 여기서 출발함.
  • 넣은 것 — 순수 일이 받은 열에서 버린 열을 뺀 값이라는 앞 절의 식 하나.
  • 남은 것 — 열량 둘의 비 하나. 순수 일을 따로 구할 까닭이 사라짐.
  • 정리된 꼴 — ηth = Wₙₑₜ / Qₕ = (Qₕ − Qₗ) / Qₕ = 1 − Qₗ / Qₕ — 이것이 식 (3.9).

03정적 과정 — 열량 자리에 온도차가 들어섬교재 139p

두 자리 모두 정적 과정이므로 열량이 질량 · 정적 비열 · 온도 변화량의 곱, 곧 Q = mcvΔT 로 그대로 쓰임.

1받는 열 Qₕ · 2→3

  • 정적 가열 구간.
  • Qₕ = mcv(T₃ − T₂)

2버리는 열 Qₗ · 4→1

  • 정적 방열 구간.
  • Qₗ = mcv(T₄ − T₁)

분자와 분모의 m 과 cᵥ 가 서로 지워짐 — 남는 것은 네 온도뿐.

04단열 관계 — 네 온도가 둘로 묶임교재 139p~140p

  • 쓰는 관계 — 2.2.3 ③ 에서 세운 TVᵏ⁻¹ = 일정 을 그대로 가져옴.
  • 단열 압축 1→2 — T₂ / T₁ = rᵏ⁻¹.
  • 단열 팽창 3→4 — T₃ / T₄ = rᵏ⁻¹.
  • 정리한 결과 — (T₄ − T₁) / (T₃ − T₂) = T₁ / T₂. 온도차의 비가 온도의 비 하나로 줄어듦.
  • 받아 두는 값 — 압축비 r 은 압축 전 체적을 압축 후 체적으로 나눈 값, r = V₁ / V₂.

05최종 식 — 남은 글자는 r 과 k 둘뿐교재 140p

걸음근거결론 식
① 정의순수 일 ÷ 공급 열ηth = 1 − Qₗ / Qₕ … (3.9)
② 정적 과정Q = mcvΔTηth = 1 − (T₄−T₁) / (T₃−T₂) … (3.10)
③ 단열 관계TVᵏ⁻¹ = 일정ηth = 1 − T₁ / T₂ … (3.11)
④ 압축비 대입T₂ = T₁ · rᵏ⁻¹ηth = 1 − 1/rᵏ⁻¹ … (3.12)

네 걸음의 전개 과정은 교재 138p~140p 에 있음. 온도가 모두 사라지고 압축비 r 과 비열비 k 만 남음.

같은 식인데 꼴이 둘

  • 교재는 ηth = 1 − r¹⁻ᵏ 꼴도 나란히 적어 둠 — 지수의 부호를 바꿔 분수를 없앤 것.
  • 두 꼴의 값은 똑같음. 서로 다른 식으로 갈라서 외우지 않도록 주의.

06예제 — 여덟 문항의 답교재 140p~142p

예제묻는 것답
3.16상태 1의 체적6000cm³
3.17방출 열량0.7kJ
3.18열효율75%
3.19압축비8
3.20압축 전 체적600cm³
3.21압축 후 체적100cm³
3.22공급 열량400kJ
3.23방출 열량400kJ

여덟 문항의 풀이 과정은 모두 교재 140p~142p 에 있음.

자주 어긋나는 자리

  • 3.16 — 효율식이 필요 없는 문항. 정적 과정이라 상태 4와 상태 1의 체적이 같음.
  • 3.22 와 3.23 — 온도 변화량이 둘 다 400K 이므로 열량의 크기도 같음. 방향만 반대.

이 절의 핵심 정리

  1. 오토 사이클에서 열이 드나드는 곳은 정적 가열 2→3과 정적 방열 4→1 두 자리뿐이다.
  2. 이론 열효율의 정의는 공급 열에 대한 순수 일의 비율이며, 1 − Qₗ/Qₕ 로 정리된다.
  3. 두 열량이 모두 정적 과정이라 m과 cv가 약분되고 네 온도의 차만 남는다.
  4. 단열 과정의 TVᵏ⁻¹ = 일정 관계가 네 온도를 T₁/T₂ 하나로 묶어 준다.
  5. 최종 식은 ηth = 1 − 1/rᵏ⁻¹ 이며, 1 − r¹⁻ᵏ 과 같은 식이다.
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더 자세한 내용은 교재에서

이 글은 『기초 열역학』 138p~142p의 내용을 강의 영상에 맞춰 핵심만 간추린 요약입니다. 각 개념의 상세한 설명과 예제 풀이, 공식 유도, 임용시험 기출문제 풀이는 교재에서 다루고 있습니다.

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