공학물리: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 20개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

운동학

속도
v = v0 + a·t
변위
s = v0·t + ½·a·t²
시간 없이
v² = v0² + 2·a·s
단위
1 m/s = 3.6 km/h

방법

  1. 아는 값을 단위와 함께 적으세요: v₀, v, a, t, s.
  2. 아는 세 값과 미지수를 포함하는 식을 고르세요.
  3. 양의 방향을 하나 정하고 반대 방향의 양에는 음의 부호를 붙이세요.
  4. 풀고 나서 답이 물리적으로 타당한지 확인하세요.

뉴턴 법칙

뉴턴 제2법칙
ΣF = m·a
무게
W = m·g
운동 마찰
Ff = μ·N
경사면에서
경사면 방향: m·g·sin θ, 수직 방향: m·g·cos θ

방법

  1. 물체에 작용하는 모든 힘을 넣어 자유물체도를 그리세요.
  2. 운동 방향을 따라 양의 방향을 정하세요.
  3. 힘을 운동 방향과 그 수직 방향 성분으로 나누세요(빗면에서는 빗면을 따라 m·g·sin θ, 빗면 안쪽으로 m·g·cos θ).
  4. 운동 방향으로 ΣF = m·a를 적용하세요. 마찰력은 운동 반대 방향으로 μ·N입니다.

포물선 운동

성분
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
위치
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
최고 높이
H = h + vy²/(2g)
수평 도달 거리 (평지)
R = v0²·sin 2θ/g

방법

  1. 발사 속도를 성분으로 나누세요: vx = v₀·cos θ, vy = v₀·sin θ.
  2. 수평 운동은 등속이고, 연직 운동의 가속도는 −g입니다.
  3. 연직 운동에서 비행 시간을 구하세요.
  4. 그 시간을 수평 운동에 넣어 수평 도달 거리를 구하세요.

일과 에너지

운동 에너지
Ek = ½mv²
위치 에너지
Ep = mgh
에너지 수지
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
마찰력이 한 일
W = μ·N·d
전력
P = W/t

운동량과 충돌

운동량
p = m·v
보존
Σm·v (before) = Σm·v (after)
완전 비탄성
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
충격량
J = F·Δt = m·Δv

방법

  1. 양의 방향을 정하고 각 속도에 부호를 붙이세요.
  2. 충돌 전 전체 운동량을 쓰세요: Σm·v.
  3. 완전 비탄성 충돌에서는 충돌 후 물체들이 함께 움직이고, 탄성 충돌에서는 운동 에너지도 보존됩니다.
  4. 충돌 전 운동량과 충돌 후 운동량을 같게 놓고 푸세요.

정수압

깊이에 따른 압력
p = ρgh
수직 벽에 작용하는 힘
F = ρg·hc·A
압력 중심
yp = yc + Ic/(ycA)
직사각형
Ic = bH³/12

연속 방정식과 베르누이

연속 방정식
A1v1 = A2v2
베르누이 방정식
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
유량
Q = A·v
원의 넓이
A = πd²/4

이상 기체 법칙

이상 기체 법칙
pV = nRT
기체 상수
R = 8.314 J/(mol·K)
보일-샤를 법칙
p1V1/T1 = p2V2/T2
몰수
n = m/M
온도
T[K] = T[°C] + 273.15

열기관과 냉동기

효율
η = W/QH = 1 − QC/QH
카르노 효율
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
냉동기 COP
COPR = QC/W
열펌프 COP
COPHP = QH/W = COPR + 1
에너지 수지
QH = W + QC

파동, 소리, 광학

파동의 속력
v = fλ, T = 1/f
줄
v = √(T/μ), μ = m/L
음의 세기 수준
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
점음원
I = P/(4πr²)
정상파
줄 또는 열린 관 fn = n·v/(2L); 닫힌 관 fn = n·v/(4L), n은 홀수
도플러 효과
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
굴절률
n = c/v, λ = λ0/n
스넬의 법칙
n1sin θ1 = n2sin θ2
임계각
sin θc = n2/n1
광섬유
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
렌즈와 거울
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
이중 슬릿
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
회절 격자
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
단일 슬릿
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

방법

  1. 문제의 종류를 파악하세요: 파동의 속력, 음의 세기 수준, 정상파, 도플러, 굴절, 렌즈나 거울, 또는 간섭.
  2. 관계식을 먼저 쓰세요: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) 또는 n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. 단위를 바꾸세요: nm, mm, cm를 m로. 그리고 각이 법선에서 재어진 것인지 확인하세요.
  4. 부호와 타당성을 확인하세요: 허상은 dᵢ < 0이고, 다가오는 음원은 더 높게 들리며, 닫힌 관에는 홀수 배진동만 있습니다.

2연습 문제

1.운동학보통
경찰a = 3.5 m/s²자동차28 m/s

일정한 28 m/s로 과속하는 자동차가 정지해 있는 경찰차를 지나간다. 그 순간 경찰차가 출발해 3.5 m/s²로 균일하게 가속한다. 경찰차는 출발점에서 얼마나 떨어진 곳에서 따라잡는가? d을(를) 구하시오.

vcar = 28 m/sapolice = 3.5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 14 m/s5 m

지면에서 5 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 14 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 14 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°5 kgF = ?

5 kg 상자를 수평과 20°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 5 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 2.5 kg7 kgθ = 35°

35° 경사로 위의 2.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 7 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 2.5 kgm2 = 7 kgθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
46 my = ?v0​ = 34 m/s40°

평지에서 공을 34 m/s, 수평 위 40°로 46 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 34 m/sθ = 40°x = 46 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 10 m/s20°수평 도달 거리

공을 높이 30 m인 절벽 위에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 10 m/sθ = 20°h = 30 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
72 km/h5°1000 kg

1000 kg 자동차가 5° 경사로를 일정한 72 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 500 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 1000 kgθ = 5°Fr = 500 Nv = 72 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
8.일과 에너지어려움
k = 1000 N/m30°μ = 0.21 kg

30° 경사면 아래에 있는 강성 1000 N/m인 스프링을 1 kg 블록으로 15 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.2이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 1 kgk = 1000 N/mx = 15 cmθ = 30°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
d = m
9.운동량과 충돌보통
1100 kg6 m/s800 kg

6 m/s로 움직이는 1100 kg 자동차가 정지해 있는 800 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1100 kgv1 = 6 m/sm2 = 800 kgv2 = 0
ΔK = J
10.운동량과 충돌어려움
1300 kg8 m/s1900 kg9 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 8 m/s로 달리던 1300 kg 자동차가 북쪽으로 9 m/s로 달리던 1900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1300 kgv1 = 8 m/s (E)m2 = 1900 kgv2 = 9 m/s (N)
v′ = m/s
11.정수압보통
수문d = 2 mH = 3 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 2 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 1.5 mH = 2 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1.5 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 1.5 mH = 2 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 100 mm, p1​ = 210 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

물이 100 mm에서 50 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 210 kPa, 유속은 2 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 = 210 kPav1 = 2 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
H = ?d1​ = 50 mmp1​ = 90 kPad2​ = 25 mm

분수 노즐이 똑바로 위를 향한다. 노즐 바로 아래 공급관의 지름은 50 mm, 계기 압력은 90 kPa이다. 노즐 출구 지름은 25 mm이며 노즐 전후의 높이 차는 무시할 수 있다. 손실과 공기 저항을 무시하고 분류가 노즐 위로 올라가는 높이 H을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 50 mmp1 = 90 kPa (게이지압)d2 = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
15.이상 기체 법칙보통
CO₂ 480 gV = 50 LT = 75 °CP = ?

부피 50 L인 탱크에 75 °C의 CO₂ 480 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 480 gM = 44.01 g/molV = 50 LT = 75 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 CO₂이(가) 350 kPa, 20 L, 30 °C에서 800 kPa, 50 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 350 kPaV1 = 20 LT1 = 30 °CP2 = 800 kPaT2 = 50 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 400 °CTL​ = 10 °CEQH​QL​η = 23%

열기관이 400 °C의 열원에서 열을 받고 10 °C의 주위로 열을 방출한다. 실제 열효율은 23%이다. 실제 효율과 카르노 효율의 비인 제2법칙 효율 ηII을(를) 구하시오.

TH = 400 °CTL = 10 °Cη = 23%
ηII = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 28 °CTL​ = 4 °CRQ̇H​Q̇L​ = 0.5 kWẆ = ?

냉장고가 28 °C인 부엌에서 냉장실을 4 °C로 유지하며 냉장실에서 0.5 kW의 열을 제거한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 28 °CTL = 4 °CQ̇L = 0.5 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
L = 1.2 mn = 5

한쪽 끝이 닫힌 관의 길이는 1.2 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 5번째 배진동의 진동수 f5을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 5L = 1.2 m
f5 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
SO25 m/sf = 30 kHz

정지한 주차 센서가 25 m/s로 다가오는 자동차를 향해 30 kHz의 초음파를 보낸다. 센서가 되받는 반향의 진동수 f″을(를) 구하시오(소리의 속력 343 m/s).

f = 30 kHzu = 25 m/sv = 343 m/s
f″ = Hz

3용액

1.운동학

답: d = 448 m

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

같은 거리

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·28/3.5 = 16 s

거리

d = v·t = 28·16 = 448 m

답

d = 448 m

그 순간 경찰차는 2v = 56 m/s로 움직입니다.

2.운동학

답: hmax = 14.99 m

등가속도 운동: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t², v² = v₀² + 2·a·s. 아는 세 양과 구하려는 양이 들어 있는 식을 고르고, 양의 방향을 하나 정해 부호를 일관되게 쓰세요.

지붕 위로 올라간 높이

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 14²/(2·9.81) = 9.99 m

지면으로부터의 높이

hmax = 5 + 9.99 = 14.99 m

답

hmax = 14.99 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 21.39 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 16.78 + 4.609 = 21.39 N

답

F = 21.39 N
4.뉴턴 법칙

답: a = 5.219 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

줄 방향의 힘

m₂·g = 68.67 N
m₁·g·sin θ = 14.07 N
μ·m₁·g·cos θ = 5.022 N

계의 가속도

a = (68.67 − 14.07 − 5.022)/9.5 = 5.219 m/s²

답

a = 5.219 m/s²
5.포물선 운동

답: y = 23.3 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

벽까지의 시간

vx = 34·cos 40° = 26.05 m/s
t = x/vx = 46/26.05 = 1.766 s

그 시각의 높이

y = 21.85·1.766 − ½·9.81·1.766² = 23.3 m

답

y = 23.3 m

공은 벽에서 아직 올라가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 2.846 s

포물선 운동: 공기 저항이 없으면 x = vxt, y = h + vyt − ½gt². 두 방향은 독립이며 같은 시간만 공유합니다.

초기 속도 분해

수평 속도는 일정하고, 연직 운동은 아래쪽으로 일정한 가속도 g = 9.81 m/s²을(를) 가집니다.

vx = v0·cos θ = 10·cos 20° = 9.397 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 20° = 3.42 m/s

체공 시간

y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0을 풀어 양의 근을 택합니다.

0 = 30 + 3.42·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (3.42 + √(11.7 + 588.6))/9.81 = 2.846 s

답

t = 2.846 s
7.일과 에너지

답: P = 27.1 kW

일-에너지 원리: 운동 에너지의 변화는 모든 힘이 한 일과 같습니다. 중력과 스프링을 위치 에너지(mgh와 ½kx²)로 쓰면 수지가 됩니다: 처음 에너지 = 나중 에너지 + 마찰로 잃은 에너지 (μN·d). 동력은 힘 × 속력입니다: P = F·v.

구동력

m·g = 1000·9.81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 5° = 855 N
F = 855 + 500 = 1355 N

전력

v = 72/3.6 = 20 m/s
P = F·v = 1355·20 = 27100 W = 27.1 kW

답

P = 27.1 kW
8.일과 에너지

답: d = 1.703 m

일-에너지 원리: 운동 에너지의 변화는 모든 힘이 한 일과 같습니다. 중력과 스프링을 위치 에너지(mgh와 ½kx²)로 쓰면 수지가 됩니다: 처음 에너지 = 나중 에너지 + 마찰로 잃은 에너지 (μN·d).

스프링 에너지

x = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·1000·0.15² = 11.25 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 11.25/(9.81·(0.5 + 0.2·0.866)) = 1.703 m

답

d = 1.703 m
9.운동량과 충돌

답: ΔK = 8337 J

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

공통 속도

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1100·6/1900 = 3.474 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1100·6² = 19800 J
Kafter = ½·1900·3.474² = 11463 J

잃은 에너지

ΔK = 19800 − 11463 = 8337 J

답

ΔK = 8337 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: v′ = 6.254 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

운동량 성분

px = 1300·8 = 10400 kg·m/s
py = 1900·9 = 17100 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 20014/3200 = 6.254 m/s

답

v′ = 6.254 m/s
11.정수압

답: F = 103 kN

평면에 작용하는 정수압: F = ρ·g·yc·A. 이 힘은 압력 중심 ycp = yc + Ic/(ycA)에 작용하며, 이는 항상 도심 아래에 있습니다.

도심 깊이와 면적

yc = d + H/2 = 2 + 3/2 = 3.5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
수문d = 2 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.5·3 = 103 kN

답

F = 103 kN
12.정수압

답: ycp = 2.633 m

평면에 작용하는 정수압: F = ρ·g·yc·A. 이 힘은 압력 중심 ycp = yc + Ic/(ycA)에 작용하며, 이는 항상 도심 아래에 있습니다.

도심 깊이와 면적

yc = d + H/2 = 1.5 + 2/2 = 2.5 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
수문d = 1.5 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·2 = 49.05 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1·2³/12 = 0.6667 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2.5 + 0.6667/(2.5·2) = 2.633 m

답

ycp = 2.633 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 180 kPa

연속 방정식과 베르누이: 비압축성 유체는 모든 단면에서 유량이 같습니다: Q = A₁v₁ = A₂v₂. 손실 없는 유선을 따라 p + ½ρv² + ρgz는 일정하므로, 유체가 빠르거나 높은 곳일수록 압력이 낮습니다.

연속 방정식과 베르누이

Pa로 계산한 뒤 1000으로 나눠 kPa를 얻습니다.

v2 = v1·(d1/d2)² = 2·(100/50)² = 8 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2² − 8²)/1000 = −30 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 210 + (−30) = 180 kPa

답

p2 = 180 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: H = 9.786 m

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

출구 유속

β = 25/50 = 0.5
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·90000/(1000·0.9375)) = 13.86 m/s

분류의 높이

분류를 따른 베르누이 식: 꼭대기에서 유속은 0이고 압력은 다시 대기압입니다.

H = v2²/(2g) = 13.86²/(2·9.81) = 9.786 m

답

H = 9.786 m
15.이상 기체 법칙

답: P = 631.4 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 480/44.01 = 10.91 mol
T = 75 + 273.15 = 348.1 K

압력

P = nRT/V = 10.91·8.314·348.1/0.05 = 631.4 kPa

답

P = 631.4 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 9.327 L

보일-샤를 법칙: 일정량의 이상 기체에서 P1V1/T1 = P2V2/T2.

절대 온도

T1 = 303.1 K, T2 = 323.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(350/800)·(323.1/303.1) = 9.327 L

답

V2 = 9.327 L
17.열기관과 냉동기

답: ηII = 39.7 %

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

절대 온도

TH = 400 + 273.15 = 673.1 K
TL = 10 + 273.15 = 283.1 K

카르노 효율

ηCarnot = 1 − 283.1/673.1 = 57.94 %

제2법칙 효율

ηII = η/ηCarnot = 23/57.94 = 39.7 %

답

ηII = 39.7 %
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.0433 kW

제2법칙의 한계: 절대 온도 TH와 TL인 열원 사이에서 작동하는 어떤 사이클도 가역(카르노) 사이클을 넘을 수 없습니다: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL), COPHP,max = TH/(TH − TL). 에너지는 항상 보존됩니다: QH = W + QL.

절대 온도

TH = 28 + 273.15 = 301.1 K
TL = 4 + 273.15 = 277.1 K

가능한 최고 COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 277.1/(301.1 − 277.1) = 11.55

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇L/COP = 0.5/11.55 = 0.0433 kW

답

Ẇmin = 0.0433 kW
19.파동, 소리, 광학

답: f5 = 357.3 Hz

정상파와 도플러 효과: 양 끝이 고정된 줄이나 양 끝이 열린 관에는 반파장의 정수 배가 들어맞습니다: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … 한쪽 끝이 닫힌 관은 닫힌 끝이 마디이고 열린 끝이 배입니다: L = nλ/4이며 n은 홀수만 가능하고 fn = n·v/(4L)입니다. 음원이나 관측자가 둘을 잇는 직선을 따라 움직이면 f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)입니다. 서로를 향해 움직일 때는 위쪽 부호를 쓰세요. 진동수가 거의 같은 두 파동은 |f₁ − f₂|로 맥놀이합니다.

이 진동 모드의 파장

λ = 4L/n = 4·1.2/5 = 0.96 m

진동수

f = v/λ = 343/0.96 = 357.3 Hz

답

f5 = 357.3 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: f″ = 34717 Hz

정상파와 도플러 효과: 양 끝이 고정된 줄이나 양 끝이 열린 관에는 반파장의 정수 배가 들어맞습니다: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … 한쪽 끝이 닫힌 관은 닫힌 끝이 마디이고 열린 끝이 배입니다: L = nλ/4이며 n은 홀수만 가능하고 fn = n·v/(4L)입니다. 음원이나 관측자가 둘을 잇는 직선을 따라 움직이면 f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)입니다. 서로를 향해 움직일 때는 위쪽 부호를 쓰세요. 진동수가 거의 같은 두 파동은 |f₁ − f₂|로 맥놀이합니다.

자동차에서의 진동수

f′ = 30000·(343 + 25)/343 = 32187 Hz

반향의 진동수

f″ = f′·343/(343 − 25) = 34717 Hz

답

f″ = 34717 Hz

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