개념 한 쪽
열과 일은 에너지의 다른 형태이며 서로 변환될 수 있다. 열역학의 기본 법칙들과 엔트로피 개념은 공정의 에너지 수지와 가능성을 판단하는 핵심 기준이 된다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「일과 열」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 법칙명 매칭(일과 열의 변환) | 1 | 일과 열의 상호 변환 가능성으로 법칙을 특정하는 능력 |
| 열평형 정의 판별 | 1 | 열평형의 이행성으로 제0법칙을 식별하는 능력 |
| 기화 엔트로피 계산 | 1 | 물질의 기화열과 절대온도를 이용해 엔트로피 변화를 계산하는 능력 |
열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙으로, 시스템에 출입하는 열과 계에 한 일이 내부 에너지 변화로 연결된다는 원리이다. 즉, 에너지는 형태를 바꿀 수는 있어도 새로 생기거나 없어지지 않는다고 규정한다. 이 때문에 '일과 열은 서로 변환될 수 있다'는 문장은 제1법칙의 핵심 정의와 직결된다.
열역학 제0법칙은 열평형의 이행성을 규정하여 온도라는 개념을 성립시킨다. 두 물체가 각각 제3의 물체와 열평형이면 서로 열평형임을 의미하며, 이 원리로 온도계를 사용한 측정이 가능해진다. 제1법칙·제2법칙·제3법칙과 구별하여 각 법칙의 대표 키워드를 기억하면 문제 해결이 수월해진다.
엔트로피는 열역학적 상태 변화에서 무질서도 또는 열적 배분의 척도로 쓰인다. 등압·등적·등온 과정 등 각 과정에 따라 엔트로피 변화식을 사용하며, 예를 들어 정압과정의 엔트로피 변화는 ΔS = m·Cp·ln(T2/T1), 등온과정의 단위질량 엔트로피 변화는 Δs = R·ln(V2/V1)처럼 공정별 공식이 존재한다. 또한 등온선도(T-S선도)에서 곡선과 S축 사이 면적은 열량 Q = ∫T dS를 의미하므로 선도의 면적 해석으로 열과 일을 구분할 수 있다.
교축(throttling) 과정은 단열·무일 조건의 비가역 감압 과정으로 등엔탈피 과정(h1 = h2)이라는 특징을 가진다. 이 과정에서는 압력 감소와 비체적 증가가 일어나고 엔트로피는 증가하므로 등엔탈피 성질을 중심으로 정리하면 혼동을 줄일 수 있다.
열기관 사이클의 이상·실용적 구분도 중요하다. 동일한 고·저온 열원 사이에서 가역적으로 작동할 때 최고 효율을 내는 이상적 사이클은 카르노 사이클이며, 오토사이클은 가솔린 기관의 이상 표준 사이클로 단열압축·정적가열·단열팽창·정적방열 4과정으로 구성된다.
1) 정압과정 엔트로피 변화 계산 예시 문제 조건: 공기 m = 2 kg, 정압과정에서 T1 = 10℃, T2 = 200℃, Cp = 1.003 kJ/kg·K 풀이: 온도는 절대온도로 변환하여 T1 = 283 K, T2 = 473 K를 사용한다. 정압 엔트로피 변화식은 ΔS = m·Cp·ln(T2/T1)이므로 ΔS = 2 × 1.003 × ln(473/283) ≈ 2.006 × 0.512 ≈ 1.03 kJ/K가 된다. 핵심 점검사항은 ℃→K 변환과 Cp 사용 여부이다.
2) 물 1 kmol의 증발 시 엔트로피 변화 계산 예시 문제 조건: 물 1 kmol이 100℃(373 K), 기화열 l = 2257 kJ/kg 풀이: 1 kmol 물의 질량은 분자량 18로 18 kg이다. 흡수한 열량 Q = l·m = 2257 × 18 = 40,626 kJ이다. 등온 상변화의 엔트로피는 ΔS = Q/T이므로 ΔS = 40,626 / 373 ≈ 108.9 ≈ 109 kJ/K가 된다. 핵심 점검사항은 kmol→kg 환산과 ℃→K 변환이다.
열역학 제1법칙을 가장 잘 설명한 것은?
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.
2개의 물체가 또 다른 물체와 서로 열평형을 이루고 있으면 그를 상호 간에도 서로 열평형 상태에 있다."라는 것은 열역학 몇 법칙인가?
정답 ① · 문항은 두 물체가 제3의 물체와 각각 열평형이면 상호간에도 열평형 상태에 있다는 진술이 어떤 열역학 법칙인지 묻고 있다. 이 성질은 열평형의 이행성으로 온도의 본질을 규정하는 열역학 제0법칙에 해당한다.
제3의 물체와 각각 열평형이면 서로도 열평형이라는 열역학 제0법칙이다.
물 1kmol이 100℃, 1기압에서 증발할 때 엔트로피 변화는 몇 kJ/K인가? (단, 물의 기화열은 2257kJ/kg이다.)
정답 ③ · 엔트로피 변화(ΔS)는 가열량(Q)을 절대온도(T)로 나눈 값입니다. 물의 분자량은 18kg/kmol이므로 1kmol의 질량은 18kg입니다.
등온 상변화의 엔트로피는 ΔS=ml/T로, 2257×18/373≈109kJ/K이다.
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