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
t (s)v (m/s)0.6 s20

72 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.6 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 7.5 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 72 km/htr = 0.6 sa = −7.5 m/s²
d = m
2.운동학어려움
v₀ = 11 m/s20 m

지면에서 20 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 11 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 11 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 45°a = ?m = 2 kg

질량 2 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 2 kgθ = 45°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 4 kg1.5 kgμ = 0.3

수평 탁자 위에 있는 질량 4 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 1.5 kg 물체와 연결되어 있다. 블록과 탁자 사이의 운동 마찰 계수는 0.3이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 18 m/sθ = ?R = 15 m

평지에서 공을 18 m/s로 발사해 15 m 떨어진 곳에 떨어지게 해야 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 가능한 두 발사각 중 작은 값 θ을(를) 구하시오.

v₀ = 18 m/sR = 15 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 30 mv0​ = 14 m/s40°α = ?

30 m 절벽 꼭대기에서 공을 14 m/s, 수평 위 40°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 14 m/sθ = 40°h = 30 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.일과 에너지보통
0.5 kgk = 2000 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 2000 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.5 kg 공을 올려놓고 스프링을 5 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgk = 2000 N/mx = 5 cmg = 9.81 m/s²
h = m
8.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 4.5 mμ = 0.25k = 2000 N/m

질량 10 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 kgh = 4.5 mL = 4.5 mμ = 0.25k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
1 kgv = ?10 gh = 21 cm

10 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 1 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 21 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 10 gM = 1 kgh = 21 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.운동량과 충돌어려움
11 m/s16 m/s

질량 0.15 kg인 공이 11 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 16 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 20 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.15 kgvin = 11 m/svout = 16 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
11.정수압보통
수문d = 2 mH = 1 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 = 1 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 1 mH = 1 m

폭 1.5 m인 연직 직사각형 수문이 기름이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 1 mH = 1 mb = 1.5 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
d1​ = 150 mmd2​ = 100 mm12p1​ − p2​ = 24 kPaQ = ?

입구 지름 150 mm, 목 지름 100 mm인 수평 벤투리미터에 물이 흐른다. 입구의 압력은 목보다 24 kPa 높다. 손실을 무시하고 유량 Q을(를) 구하시오.

d1 = 150 mmd2 = 100 mmp1 − p2 = 24 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
d1​ = 80 mmd2​ = 40 mm12Δh = 390 mm수은Q = ?

수평 벤투리미터(입구 80 mm, 목 40 mm)에 물이 흐른다. 입구와 목 사이에 연결된 수은 U자관 마노미터의 액면 차는 390 mm이다. 유량 계수는 0.97이다. 유량 Q을(를) 구하시오. 물은 ρ = 1000 kg/m³, 수은은 13 600 kg/m³, g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 80 mmd2 = 40 mmΔh = 390 mmCd = 0.97ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 30 gV = 50 LT = 20 °CP = ?

부피 50 L인 탱크에 20 °C의 CH₄ 30 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 30 gM = 16.04 g/molV = 50 LT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 He이(가) 150 kPa, 20 L, 40 °C에서 200 kPa, 180 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 150 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 200 kPaT2 = 180 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 775 °CTL​ = ?EQH​ = 3300 kJQL​ = 891 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 775 °C의 열저장소에서 3300 kJ의 열을 받고 891 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 775 °CQH = 3300 kJQL = 891 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 450 °CTL​ = 30 °CEQH​ = 900 kJQL​ = 531 kJW = 369 kJ

열기관이 사이클마다 450 °C의 열저장소에서 900 kJ의 열을 받아 369 kJ의 일을 하고 나머지를 30 °C의 열저장소로 방출한다. 사이클당 총 엔트로피 생성량 Sgen을(를) 구하시오.

TH = 450 °CTL = 30 °CQH = 900 kJW = 369 kJ
Sgen = kJ/K
19.파동, 소리, 광학보통
L = 0.65 mn = 5

양 끝이 열린 관의 길이는 0.65 m이다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 5번째 배진동의 진동수 f5을(를) 구하시오.

v = 343 m/sn = 5L = 0.65 m
f5 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
Fdo​ = 30 cmR = 10 cm

물체가 곡률 반지름 10 cm인 볼록 거울 앞 30 cm에 있다. 거울 앞의 상(실상)이면 양수, 거울 뒤의 상(허상)이면 음수로 하여 상거리 di을(를) 구하시오.

do = 30 cmR = 10 cm
di = cm

3용액

1.운동학

답: d = 38.67 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.

단위

v₀ = 72/3.6 = 20 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 20·0.6 = 12 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 20²/(2·7.5) = 26.67 m

합계

d = 12 + 26.67 = 38.67 m

답

d = 38.67 m
2.운동학

답: hmax = 26.17 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 = 11²/(2·9.81) = 6.167 m

지면으로부터의 높이

hmax = 20 + 6.167 = 26.17 m

답

hmax = 26.17 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 5.896 m/s²

뉴턴 제2법칙: 물체에 작용하는 알짜힘은 질량과 가속도의 곱과 같습니다: ΣF = m·a. 자유물체도를 그리고, 운동 방향을 따라 양의 방향을 정한 뒤, 그 방향의 모든 힘을 더하세요: 가한 힘, 운동을 방해하는 마찰력 μ·N, 중력의 성분.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 45° − 0.15·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.1061) = 5.896 m/s²

답

a = 5.896 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 0.5351 m/s²

뉴턴 제2법칙: 물체에 작용하는 알짜힘은 질량과 가속도의 곱과 같습니다: ΣF = m·a. 자유물체도를 그리고, 운동 방향을 따라 양의 방향을 정한 뒤, 그 방향의 모든 힘을 더하세요: 가한 힘, 운동을 방해하는 마찰력 μ·N, 중력의 성분.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (14.71 − 11.77)/5.5 = 0.5351 m/s²

답

a = 0.5351 m/s²
5.포물선 운동

답: θ = 13.51 °

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.

수평 도달 거리 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·15/18² = 0.4542

위상각

2θ = 27.01° → θ = 13.51°

답

θ = 13.51°

다른 해는 90° − θ = 76.49°입니다.

6.포물선 운동

답: α = 67.49 °

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.

초기 속도 분해

vx = 14·cos 40° = 10.72 m/s
vy0 = 14·sin 40° = 8.999 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(8.999² + 2·9.81·30) = 25.88 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 25.88/10.72 → α = 67.49°

답

α = 67.49°
7.일과 에너지

답: h = 0.5097 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 = 5 cm = 0.05 m
½kx² = ½·2000·0.05² = 2.5 J

높이

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
h = ½kx²/(mg) = 2.5/4.905 = 0.5097 m

답

h = 0.5097 m
8.일과 에너지

답: v = 8.137 m/s

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).

거친 구간을 지난 뒤 남은 에너지

경사로는 매끄러우므로 에너지를 빼앗는 것은 거친 구간뿐입니다.

mgh − μmgL = 98.1·(4.5 − 0.25·4.5) = 331.1 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3.375) = 8.137 m/s

답

v = 8.137 m/s
9.운동량과 충돌

답: v = 205 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.

충돌 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.21) = 2.03 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.01 + 1)·2.03/0.01 = 205 m/s

답

v = 205 m/s
10.운동량과 충돌

답: Favg = 202.5 N

운동량 보존: 충돌하는 동안 외력이 작용하지 않으면 충돌 전 전체 운동량 Σm·v는 충돌 후와 같습니다. 속도에는 방향이 있으므로 양의 방향을 정하고 반대 방향 속도에는 음의 부호를 붙이세요. 탄성 충돌에서는 운동 에너지도 보존되고, 완전 비탄성 충돌에서는 두 물체가 한 덩어리가 됩니다.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.15·(16 + 11) = 4.05 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 4.05/0.02 = 202.5 N

답

Favg = 202.5 N
11.정수압

답: F = 24.52 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 + 1/2 = 2.5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
수문d = 2 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·1 = 24.52 kN

답

F = 24.52 kN
12.정수압

답: F = 19.42 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 = 1 + 1/2 = 1.5 m
A = H·b = 1·1.5 = 1.5 m²
수문d = 1 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·1.5·1.5 = 19.42 kN

답

F = 19.42 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 60.74 L/s

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.

연속 방정식

v1 = v2·(100/150)² = 0.4444·v2

입구와 목 사이의 베르누이 식

관이 수평이므로 압력과 유속만 변합니다.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·24000/(1000·(1 − 0.1975))) = 7.734 m/s
v1 = 3.437 m/s

유량

Q = A2·v2 = 0.007854·7.734 = 0.06074 m³/s = 60.74 L/s

답

Q = 60.74 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 12.36 L/s

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.

마노미터에서 구한 압력 차

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.39 = 48206 Pa

목의 유속

연속 방정식과 베르누이 식을 함께 쓰면 이상적인 목의 유속이 나옵니다.

β = 40/80 = 0.5
v2 = √(2·48206/(1000·(1 − 0.0625))) = 10.14 m/s

실제 유량

Q = Cd·A2·v2 = 0.97·0.001257·10.14 = 0.01236 m³/s = 12.36 L/s

답

Q = 12.36 L/s
15.이상 기체 법칙

답: P = 91.17 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 30/16.04 = 1.87 mol
T = 20 + 273.15 = 293.1 K

압력

P = nRT/V = 1.87·8.314·293.1/0.05 = 91.17 kPa

답

P = 91.17 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 21.71 L

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

절대 온도

T1 = 313.1 K, T2 = 453.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(150/200)·(453.1/313.1) = 21.71 L

답

V2 = 21.71 L
17.열기관과 냉동기

답: TL = 9.851 °C

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.

열원의 절대 온도

TH = 775 + 273.15 = 1048 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 1048·891/3300 = 283 K = 9.851 °C

답

TL = 9.851 °C
18.열기관과 냉동기

답: Sgen = 0.5071 kJ/K

엔트로피 생성: 한 사이클 전체에서 작동 유체의 순 엔트로피 변화는 없습니다. 고온 열저장소는 QH/TH를 잃고 저온 열저장소는 QL/TL을 얻습니다. 그 합이 엔트로피 생성량이며, 가역 사이클에서는 0, 모든 실제 사이클에서는 양수입니다.

방출열

QL = QH − W = 900 − 369 = 531 kJ

절대 온도

TH = 450 + 273.15 = 723.1 K
TL = 30 + 273.15 = 303.1 K

열저장소의 엔트로피 변화

ΔSH = −900/723.1 = −1.245 kJ/K
ΔSL = 531/303.1 = 1.752 kJ/K
Sgen = 1.752 − 1.245 = 0.5071 kJ/K

답

Sgen = 0.5071 kJ/K

Sgen > 0이므로 이 기관은 가능하지만 비가역입니다.

19.파동, 소리, 광학

답: f5 = 1319 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 = 2L/n = 2·0.65/5 = 0.26 m

진동수

f = v/λ = 343/0.26 = 1319 Hz

답

f5 = 1319 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: di = −4.286 cm

기하 광학: 경계에서 n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂(스넬의 법칙)이며, 각은 법선에서 재고 n = c/v입니다. 더 느린 매질로 들어가면 광선은 법선 쪽으로 굽습니다. 밀한 매질(n₁ > n₂)에서 임계각 θc = arcsin(n₂/n₁)을 넘으면 모든 빛이 반사됩니다: 전반사. 얇은 렌즈와 구면 거울은 1/f = 1/do + 1/di를 따르며 배율은 m = −di/do입니다. 부호 규약: 볼록 렌즈와 오목 거울은 f > 0(f = R/2), 오목 렌즈와 볼록 거울은 f < 0이고, 실상은 di > 0, 허상은 di < 0이며, 거꾸로 선 상은 m < 0입니다.

초점 거리

f = −R/2 = −5 cm

거울 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−5) − 1/30
di = −4.286 cm
F30 cmf = −5 cm

광선도

거울 뒤의 허상

답

di = −4.286 cm

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