다음 중 열역학 제2법칙과 가장 직접적인 관련이 있는 물리량은?
- 엔트로피
- 엔탈피
- 열량
- 내부에너지
정답과 해설 보기
정답 ① · 문항은 열역학 제2법칙과 직접 관련 있는 물리량을 묻고 있다. 제2법칙은 자연 과정의 방향성과 관련된 엔트로피의 증가 법칙으로 이를 정량화하는 상태량이 엔트로피이다.
열역학 제2법칙은 엔트로피 증가의 법칙이므로 이를 나타내는 상태량은 엔트로피이다.
개념 한 쪽
에너지관리산업기사 엔트로피 — 열역학 제2법칙·무질서도
엔트로피는 열역학 제2법칙의 방향성을 수치로 나타내는 상태량이다. 열의 이동과 과정 유형에 따라 엔트로피의 변화량을 식으로 계산하며, 가역 단열과정에서는 엔트로피가 일정하다는 특성이 중요하다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「엔트로피」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 제2법칙과 관련된 물리량 식별 | 1 | 제2법칙의 핵심을 나타내는 물리량을 가리기 |
| 제1법칙과 제2법칙 구분 | 1 | 제1법칙(에너지보존)과 제2법칙(엔트로피)을 구분해 설명하기 |
| 일정체적 가열의 엔트로피 계산 | 1 | 일정한 체적에서 열량 주어질 때 엔트로피 증가량 계산하기 |
뜻
열역학 제2법칙은 자연현상에 방향성이 있음을 말하며, 그 방향은 엔트로피가 증가하는 쪽으로 향한다. 이 법칙의 내용을 수치로 표현하는 상태량이 엔트로피이며 정의식은 dS = dQ / T로 표기한다. 여기서 T는 절대온도이며 열이 들어온 만큼 절대온도로 나눈 값만큼 엔트로피가 증가한다.
엔트로피는 과정 형태에 따라 계산식이 달라진다. 체적이 일정한 정적가열(등체적 과정)에서는 정적 비열 cv를 써서 ΔS = m·cv·ln(T₂/T₁)로 계산한다. 등온과정에서는 기체상수 R을 사용해 단위질량당 엔트로피 변화가 Δs = R·ln(V₂/V₁)로 주어진다. 상변화의 등온 과정에서는 ΔS = Q/T 식을 직접 적용하며 기화열을 질량으로 곱해 절대온도로 나눈다.
가역 단열과정은 열의 출입이 없고 가역성이므로 δQ = 0이고 따라서 ΔS = 0인 등엔트로피 과정이 된다. 반대로 비가역 과정에서는 내부 생성으로 엔트로피가 증가하며, 특정 비가역 현상인 교축(스로틀)과정은 단열·무일이지만 비가역이므로 엔트로피가 증가한다.
엔트로피는 상태함수이므로 사이클을 한 바퀴 돌아 원래 상태로 돌아오면 전체 엔트로피 변화는 가역 사이클의 경우 계와 주변을 합쳐 0이 된다. 이 원리는 가역성 여부를 빠르게 판별하는 데 유용하다.
예제
정적 체적 상태에서 공기 4kg이 15℃에서 400kJ 열에너지를 흡수했을 때 엔트로피 증가량을 구한다. 체적 일정이므로 정적 비열 cv를 사용한다.
1) 초기 절대온도 T₁ = 15 + 273 = 288K. 2) ΔT = Q / (m·cv) = 400 / (4 × 0.71) ≈ 140.8K, 따라서 T₂ ≈ 288 + 140.8 ≈ 429K. 3) ΔS = m·cv·ln(T₂/T₁) = 4 × 0.71 × ln(429/288) ≈ 2.84 × 0.40 ≈ 1.13 kJ/K.
이 계산은 '정적가열 → ΔT 먼저 구하고 ln 비율 적용'의 2단계 절차를 따른다.
대표 기출 3문항
열역학 제1법칙을 가장 잘 설명한 것은?
- 열 에너지가 기계적 에너지 보다. 고급의 에너지 형태이다.
- 열은 일과 같이 에너지의 이동 형태의 하나로 일과 열은 서로 변환될 수 있다.
- 제1종의 영구기관은 에너지의 공급 없이 영구히 일할 수 있는 기관으로 실현 가능하다.
- 시스템과 주위의 총 엔트로피는 계속 증가한다.
정답과 해설 보기
정답 ② · 문항은 열역학 제1법칙의 내용을 가장 잘 설명한 보기를 찾는 문제이다. 제1법칙은 에너지 보존 법칙으로 열과 일이 모두 에너지의 이동 형태이며 서로 변환될 수 있다는 점을 핵심으로 한다.
열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙으로, 열과 일은 서로 변환되는 에너지 이동 형태다.
15℃인 공기 4kg이 일정한 체적을 유지하며 400kJ의 열을 받는 경우 엔트로피 증가량은 약 몇 kJ/K인가? (단, 공기의 정적 비열은 0.71kJ/kg·K이다.)
- 1.13
- 26.7
- 100
- 400
정답과 해설 보기
정답 ① · 문항은 일정한 체적에서 공기 4kg이 400kJ의 열을 받았을 때 엔트로피 증가량을 계산하는 문제이다. 일정체적 가열이므로 먼저 온도 상승 ΔT = Q/(m·cv) = 400 / (4×0.71) = 400 / 2.84 ≈ 140.8K이고 초기온도 15℃는 288K이므로 최종온도는 약 429K이다.
정적가열의 엔트로피 증가는 ΔS=m·cv·ln(T₂/T₁), T₂는 Q/(m·cv)로 구해 약 1.13kJ/K.
자주 묻는 물음
- 엔트로피는 어떻게 정의되는가?
- 엔트로피는 dS = dQ / T로 정의되며 절대온도 T에 대한 가역적으로 받은 열 dQ의 비로 계산하는 상태량이다.
- 가역 단열과정에서는 엔트로피가 어떻게 되나?
- 가역 단열과정은 δQ = 0이고 가역성이 있으므로 ΔS = 0인 등엔트로피 과정이다.
- 등온과정과 등체적과정에서 엔트로피 계산식은 어떻게 다른가?
- 등온과정의 단위질량당 엔트로피 변화는 Δs = R·ln(V₂/V₁)이고, 등체적(정적) 가열의 엔트로피 증가는 ΔS = m·cv·ln(T₂/T₁) 공식을 사용한다.
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