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 내부에너지 — 내부에너지의 정의와 관련 식
내부에너지는 물체를 이루는 분자들의 운동에너지와 위치에너지의 합으로 정의된다. 열역학 제1법칙은 받은 열이 내부에너지 변화와 한 일로 분배됨을 밝히며, 엔탈피는 내부에너지와 Pv 항의 합으로 표현한다. 등온·단열 과정과 엔트로피 변화 계산에서 내부에너지와 온도의 관계를 핵심으로 다룬다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「내부에너지」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 법칙 ↔ 물리량 연결 | 1 | 제2법칙과 관련 있는 상태량을 고르는 문제 |
| 과정별 내부에너지 변화 비교 | 1 | 등온과 단열에서 내부에너지 변화 차이를 판단하는 문제 |
| 엔탈피 계산(ΔU=0 조건 포함) | 1 | ΔU=0 조건에서 압력·체적 변화로 ΔH를 계산하는 문제 |
뜻
내부에너지(U)는 분자들의 이동·회전·진동 등 미시적 운동 에너지와 분자 간 위치에너지의 합으로 정의된다. 분자운동이 활발할수록 내부에너지는 커지며, 온도는 분자운동의 강도를 나타내므로 내부에너지는 온도와 직접 관련된다.
열역학 제1법칙은 에너지 보존을 다루며 식으로는 Q = ΔU + W로 쓴다. 시스템이 받은 열 Q는 내부에너지의 변화 ΔU와 외부에 한 일 W로 나뉘는 관계를 설명한다. 이 공식은 문제에서 열·일·내부에너지 관계를 빠르게 판정하는 핵심 식이다.
엔탈피(H)는 내부에너지와 유동에너지(PV)의 합으로 정의되며 H = U + Pv가 성립한다. 따라서 엔탈피 변화량은 ΔH = ΔU + Δ(PV)로 계산하며, 내부에너지 변화가 0이라면 엔탈피 변화는 PV 항의 차로 바로 구할 수 있다.
이상기체의 경우 내부에너지는 온도의 함수이므로 등온 과정에서는 ΔU = 0이 되고, 단열 과정(Q = 0)에서는 팽창에 의해 내부에너지가 감소하여 온도가 떨어진다. 등온·단열과 같은 과정 비교 문제는 '온도가 일정한가'를 판단 기준으로 삼아 즉시 결론을 도출한다.
엔트로피는 제2법칙과 관련된 상태량으로 정적(정적비열) 과정에서의 엔트로피 변화는 Δs = Cv ln(T₂/T₁) 공식을 사용한다. 온도는 반드시 절대온도(K)로 환산하여 로그를 계산하며, 냉각이면 엔트로피가 감소(음수)한다는 점을 확인한다.
예제
문제: 내부에너지 변화가 없다(ΔU = 0)는 조건에서 압력·체적이 변화하면 엔탈피 변화량을 구하라. 풀이: 엔탈피 변화식 ΔH = ΔU + Δ(PV)에 ΔU = 0을 대입하면 ΔH = P₂V₂ − P₁V₁이 된다. 단위 변환 없이 kPa·m³를 kJ로 바로 해석하여 계산하면 된다.
문제: 이상기체가 가역 단열 팽창과 가역 등온 팽창 중 어느 쪽에서 내부에너지 감소량이 더 큰가? 풀이: 이상기체의 내부에너지는 온도의 함수이므로 등온 과정에서는 ΔU = 0, 단열 팽창에서는 Q = 0이므로 팽창일을 내부에너지로 충당하여 ΔU < 0가 된다. 따라서 단열 팽창에서 내부에너지 감소량이 더 크다.
대표 기출 3문항
기체가 가역 단열 팽창할 때와 가역 등 온팽창할 때 내부에너지의 감소량은?
- 같다.(변화가 없다.)
- 알 수 없다.
- 등온팽창 때가 크다.
- 단열팽창 때가 크다.
정답과 해설 보기
정답 ④ · 열역학 제1법칙에 따르면 내부에너지는 온도의 함수입니다. 가역 등온 팽창 과정에서는 온도가 일정하게 유지되므로 내부에너지의 변화량(감소량)은 0입니다.
이상기체 내부에너지는 온도의 함수이므로 등온팽창은 ΔU=0, 단열팽창은 ΔU<0으로 감소량이 크다.
내부에너지의 엔탈피에 대한 설명으로 틀린 것은?
- 내부에너지 변화량은 공급열량에서 외부로 한일을 차감한 것이다.
- 엔탈피는 유체가 가지는 에너지로서 내부에너지와 유동에너지의 합을 말한다.
- 내부에너지는 시스템의 분자구조 및 분자의 운동과 관련된 운동에너지이다.
- 내부에너지는 물체를 구성하는 분자운동의 강도와는 관련이 없다.
정답과 해설 보기
정답 ④ · 문항은 내부에너지와 엔탈피에 대한 설명 중 틀린 것을 찾는 것이다. 내부에너지 변화는 공급열에서 외부에 한 일을 뺀 값(ΔU=Q−W)이고 엔탈피는 내부에너지와 유동에너지의 합(H=U+Pv)이라는 설명은 옳다.
내부에너지는 분자운동의 강도(온도)와 직접 관련되므로 '관련 없다'는 설명이 틀리다.
자주 묻는 물음
- 내부에너지는 무엇으로 이루어져 있나?
- 내부에너지는 분자들의 이동·회전·진동 같은 운동에너지와 분자 간 위치에너지의 합으로 정의되며, 분자운동의 강도인 온도와 직접 관련된다.
- 열역학 제1법칙을 사용하면 어떤 문제를 쉽게 풀 수 있나?
- Q = ΔU + W 식을 이용하면 받은 열, 내부에너지 변화, 한 일 중 두 값을 알 때 나머지 한 값을 즉시 계산할 수 있다. 열·일·에너지 분배 관계 문제에 바로 적용한다.
- 엔탈피 변화와 내부에너지 변화의 관계는 무엇인가?
- 엔탈피 H는 U + Pv로 정의되므로 ΔH = ΔU + Δ(PV)이다. ΔU가 0이면 ΔH는 두 상태의 PV 차이로만 결정된다.
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