열기관과 열효율

본 포스팅은 강남인강 하이탑 물리학 I 김윤영 선생님의 강좌를 바탕으로 작성했음을 밝힙니다.

기본 Topic

작동유체(이상기체 등)를 이용하여 열E → 역학적E로 바꿈

열역학 제2법칙: 에너지 흐름 (방향성) 설명

 

가역 변화와 비가역 변화 (≫자연현상)

➕ 화학에서의 가역 반응과 비가역 반응과는 조금 다름

 

자연 현상은 비가역적이다!

 

⚡️ 가역 변화

: 외부에 어떤 변화도 남기지 않고 원래의 상태로 돌아갈 수 있는 변화

· 자연 상태로 원상복귀를 시키는 데 큰 노력이 필요하지 않음.

· 자연 현상 중에서 완벽한 가역 변화는 없다.

 

 

⚡️ 비가역 변화

: 외부에 어떤 변화도 남기지 않고 원래의 상태로 돌아갈 수 없는 변화

· 자연 현상 모두가 비가역 변화

· 계 전체의 에너지 일정하게 보존 (변화 과정 관계X)

· 진행된 후에는 자발적으로 원래 상태로 돌아가지 않음

· 흔한 물리적 조건 하에서 자발적임

잉크의 확산 (비가역적 변화)

 

엔트로피

⚡️⚡️⚡️ 굉장히 어려움 ⚡️⚡️⚡️

: 에너지의 흐름, 방향성과 관련된 물리량

· entropy, S

· 무질서도

$\Delta S=\frac{Q}{T}$ (단위: J/K)
— 클라우지우스 (Clausius)

자연현상에서 $\Delta S=\frac{Q}{T}$>0

가역 (자연X): $\Delta S=0$

비가역 (자연): $\Delta S>0$ (엔트로피가 증가하는 방향)

· 확률에 대한 이야기와 가까움

 

열역학 제2법칙

a.k.a. 엔트로피(무질서도)의 법칙

자연: 엔트로피(무질서도)가 증가하는 방향

열은 고온의 물체에서 저온의 물체 쪽으로 흘러가고, 자발적으로 저온의 물체에서 고온의 물체로 흐를 수 없다.
— 클라우지우스 —

 

📚 열역학 법칙

제1법칙: 에너지 보존

제2법칙: 엔트로피 (흐름)

 

열기관

열역학 1,2법칙 모두 만족해야 함

Q=W라고 쓰면 열역학 제1법칙은 만족하지만 (내부 에너지는 순환 과정이 있으므로 무시 가능), 열역학 제2법칙은 만족하지 않는다.

$Q=\sum$w,열E,소리E,...

$\therefore Q>w$

$\therefore$ 영구기관 불가능!

➕ 영구기관 구분 ▼

➕ 영구기관 구분 (→ 불가능! )

$\frac{W}{Q}=e<1$ (Q: 열, W: 일, e: 효율)

 

카르노 기관

(같은 온도 사이에서 동작하는 열기관 중) 열효율이 가장 높은 이상적인 열기관 (열효율 최대)

$\Delta S=0$

$\therefore$ 불가능

아래 영어: 등온 팽창, 단열 팽창, 등온 압축, 단열 압축 / Jiwon8677 (Wikimedia Commons)

 

 

📚 카르노 기관의 엔트로피 변화 그래프

 

📚 카르노 기관의 열효율

$e_c=\frac{W}{Q_1}=1-\frac{Q_2}{Q_1}=\frac{T_1-T_2}{T_1}=1-\frac{T_2}{T_1}$

 

📚 열역학 제2법칙의 다른 표현

일정한 온도의 물체로부터 열을 빼앗아 이것을 모두 일로 바꾸는 순환 과정(장치)는 존재하지 않는다.
— 켈빈-플랑크 —

흡수한 열을 모두 일로 전환할 수 있는 열기관, 즉 열효율이 1(100%)인 열기관은 만들 수 없다.

 

 

열역학 제2법칙과 엔트로피

📚 볼츠만의 엔트로피 방정식

$S=klnW$ (볼츠만 상수 $k=1.38\times 10^{-23} J/K$)

즉, 경우의 수(확률) W가 클수록 엔트로피 S는 크다.

 

📚 열역학 제2법칙의 또 다른 표현

고립계의 비가역 변화는 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나고, 그 반대 방향으로는 일어나지 않는다.

$\Delta S_{우주(전체)}>0$

 

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EDITOR: SCIAN https://blog.scian.io/ admin@scian.io IT LOVER | DEVELOPER | ARTIST MATH & SCIENCE