상태량이 아닌 것은?
- U(내부 에너지)
- H(엔탈피)
- Q(열)
- G(깁스 자유에너지)
정답과 해설 보기
정답 ③ · 문항은 상태량과 경로함수를 구분하는 문제로 어떤 항이 상태량이 아닌지를 묻고 있다. 내부에너지(U), 엔탈피(H), 깁스 자유에너지(G) 등은 초기와 최종 상태로 결정되는 점함수이므로 상태량에 해당한다.
열(Q)과 일(W)은 경로함수이고, U·H·G·S 등 나머지는 상태량(점함수)이다.
개념 한 쪽
에너지관리산업기사 단위계 — 단위 환산과 상태량
단위계와 관련된 문제는 단위 간 환산식과 물리적 정의를 정확히 적용하는지 확인하는 문제다. 온도·에너지·압력·조성 등의 기본 단위 관계를 확실히 이해하고 계산 과정에서 기준을 한 번 더 점검해야 한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「단위계」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 상태량 여부 판정 | 1 | 주어진 물리량이 상태량인지 경로함수인지 분류하는 능력 |
| 진공도↔절대압 환산 | 1 | 진공도 비율을 절대압으로 환산하는 계산 능력 |
| 온도 눈금 동일도 판단 | 1 | 섭씨와 화씨가 같은 온도를 찾는 단순 대입 계산 |
뜻
단위는 물리량을 서로 비교하거나 계산하기 위한 표준 체계이며, 서로 다른 단위를 정확히 바꾸는 것이 핵심이다. 예를 들어 열량의 경우 1kcal = 4.1855kJ = 426.8kgf·m이고, 전기에너지와의 관계는 1kWh = 860kcal이라는 환산 관계가 있다. 이 환산 상수들을 한 벌로 묶어 기억하면 문제 풀이가 빨라진다.
온도 환산은 화씨와 섭씨 간의 선형 변환식을 사용한다는 점을 명심해야 한다. 화씨→섭씨 변환식은 C = (F − 32) × 5/9이고, 절대온도는 K = C + 273으로 섭씨를 경유해 변환해야 한다. 섭씨와 화씨 눈금이 같은 특수한 경우는 계산을 통해 −40°C = −40°F인 유일한 점을 얻는다.
압력 관련 단위와 개념에서는 게이지압(계기압)과 절대압의 구분이 중요하다. 계기압에 대기압을 더하면 절대압이 되고, 진공도는 대기압 중 어느 정도를 제거했는지를 나타내므로 절대압은 대기압×(1−진공도)로 계산한다. 문제에서 mmHg나 kgf/cm² 등 다른 단위가 나오면 적절한 환산을 거쳐 덧셈·뺄셈을 수행해야 한다.
혼합기체의 조성은 체적비가 몰수비와 같다는 점을 이용해 질량분율으로 변환할 수 있다. 공기의 경우 체적비(몰수비)로 질소 80%, 산소 20%라면 질량분율을 구하려면 각 성분의 분자량을 곱해 비를 구한 뒤 전체에 대한 비율을 계산해야 한다. 또한 기체의 비체적은 전체 부피를 질량으로 나누어 구한다.
상태량과 경로함수의 분류는 열역학 문제에서 자주 출제되는 기본 개념이다. 내부에너지 U, 엔탈피 H, 엔트로피 S, 깁스 자유에너지 G 등은 상태량(점함수)으로서 초기와 최종 상태만으로 값이 결정되고, 반면 열 Q와 일 W는 과정에 따라 달라지는 경로함수이므로 상태량으로 보지 않는다.
예제
1) 절대압력 계산 예시 — 지름이 5cm인 원형 피스톤의 윗면에 100kg짜리 추를 올려놓았을 때 절대압력을 구하라는 문제에서 피스톤 면적 A = (π/4)×0.05² ≈ 0.00196m², 추의 하중 F = 100kg×9.8m/s² = 980N으로 계기압 P = F/A ≈ 499kPa가 된다. 여기에 표준대기압 101.3kPa를 더하면 절대압 ≈ 601kPa가 된다.
2) 섭씨와 화씨 동일점 예시 — 변환식 F = (9/5)C + 32에 C = F를 대입하면 C = (9/5)C + 32가 되어 −4C = 160, C = −40으로 유일한 해가 나온다. 따라서 −40°C = −40°F가 된다.
대표 기출 3문항
표준대기압 상태에서 진공도 90%에 해당하는 압력은?
- 0.92988 ata
- 0.10332 ata
- 684 mmHg
- 1.013 bar
정답과 해설 보기
정답 ② · 표준 대기압은 1 ata(atmosphere absolute) 또는 1.0332 kgf/cm², 760 mmHg입니다. 진공도 90%라는 것은 대기압의 90%만큼 낮은 압력, 즉 대기압의 10% 절대 압력을 의미합니다.
진공도 90%는 절대압이 대기압의 10%이므로 1.0332×0.1=0.10332ata이다.
섭씨와 화씨의 온도 눈금이 같은 경우는 몇 도 인가?
- 20°C
- 0°C
- -20°C
- -40°C
정답과 해설 보기
정답 ④ · 문제는 섭씨와 화씨 눈금이 값이 같은 온도를 찾는 문제이다. 변환식 F = 9/5 C + 32에서 C = F를 대입하여 풀면 C = (9/5)C + 32이 되어 정리하면 C = −40℃가 나온다.
섭씨=화씨 조건을 F=(9/5)C+32에 대입하면 4C=−160, C=−40, 즉 −40°C=−40°F가 유일하다.
자주 묻는 물음
- 단위 환산에서 반드시 기억해야 할 핵심 상수는 무엇인가?
- 열량 환산 세트로 1kcal = 4.1855kJ = 426.8kgf·m = 1/860kWh≈0.00158PSh를 기억하면 열 관련 단위 문제를 빠르게 해결할 수 있다.
- 게이지압과 절대압을 구분하는 간단한 규칙은 무엇인가?
- 계기압은 대기압을 0으로 본 값이므로 절대압 = 게이지압 + 대기압으로 계산한다. 진공도는 절대압 = 대기압×(1−진공도)로 환산한다.
- 체적비로 주어진 기체 혼합비에서 특정 성분의 질량을 구하는 방법은 무엇인가?
- 체적비(몰수비)에 각 성분의 분자량을 곱해 질량비를 구한 뒤 전체 질량에 대한 비율을 적용하면 된다. 예로 공기 40kg에서 질소 질량 = 40 × (0.8×28) / (0.8×28 + 0.2×32)로 계산한다.
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