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
a = 2 m/s²s = 1700 m

비행기가 정지 상태에서 출발해 활주로를 따라 2 m/s²로 균일하게 가속한다. 1700 m 후의 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 0a = 2 m/s²s = 1700 m
v = m/s
2.운동학어려움
a = 34 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 3 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 34 m/s²를 주고, 그 후 엔진이 멈추면 로켓은 자유 운동을 한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 로켓이 도달하는 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

a = 34 m/s²t1 = 3 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 5.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 5.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 10 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 5.5 m/sd = 10 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
9 kg10 kgTF = 120 Nμ = 0.15

평평한 바닥 위의 두 블록이 가벼운 수평 줄로 연결되어 있다. 수평력 120 N이 앞쪽의 10 kg 블록을 끌고, 9 kg 블록은 뒤에서 끌려온다. 두 블록 모두 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 연결 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9 kgm2 = 10 kgF = 120 Nμ = 0.15g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 10 m/s45°x = ?

공을 평지에서 수평에서 45° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 10 m/sθ = 45°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 60 mv0​ = 22 m/s20°x = ?

공을 높이 60 m인 절벽 위에서 수평에서 20° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 22 m/sθ = 20°h = 60 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
45°d = 5 mμ = 0.15

질량 1 kg인 블록이 수평과 45°를 이루는 경사면을 5 m 미끄러져 내려가며, 운동 마찰 계수는 0.15이다. 마찰에 대해 한 일 Wf을(를) 구하시오.

m = 1 kgθ = 45°μ = 0.15d = 5 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
8.일과 에너지어려움
h = 4.5 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 2500 N/m

질량 1 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 4.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2.5 m인 거친 수평 구간(μ = 0.2)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2500 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 4.5 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
4 kg73 m/s14 kgv′2​ = ?

수평으로 21 m/s로 움직이던 18 kg 발사체가 폭발해 같은 직선을 따라 움직이는 두 파편으로 나뉜다. 4 kg 파편은 73 m/s로 앞으로 계속 움직인다. 14 kg 파편의 속도 v′2(원래 방향을 양으로)을(를) 구하시오.

M = 18 kgu = 21 m/sm1 = 4 kgv′1 = 73 m/sm2 = 14 kg
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
1300 kgv1​ = ?1200 kg

1300 kg 자동차가 주차된 1200 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 21.5 m 미끄러진 뒤 멈춘다. 타이어와 도로 사이의 운동 마찰 계수는 0.7이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 직전 첫 번째 자동차의 속력 v1을(를) 구하시오.

m1 = 1300 kgm2 = 1200 kgd = 21.5 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = 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 mH = 1.5 m

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 글리세린이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 1 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 1 mH = 1.5 mb = 3 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 200 mm, p1​ = 400 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

물이 200 mm에서 75 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 400 kPa, 유속은 0.75 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 200 mmd2 = 75 mmp1 = 400 kPav1 = 0.75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
d1​ = 150 mmd2​ = 100 mm12Δh = 60 mm수은Q = ?

수평 벤투리미터(입구 150 mm, 목 100 mm)에 물이 흐른다. 입구와 목 사이에 연결된 수은 U자관 마노미터의 액면 차는 60 mm이다. 유량 계수는 0.95이다. 유량 Q을(를) 구하시오. 물은 ρ = 1000 kg/m³, 수은은 13 600 kg/m³, g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 150 mmd2 = 100 mmΔh = 60 mmCd = 0.95ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
He 90 gV = 20 LT = 20 °CP = ?

부피 20 L인 탱크에 20 °C의 He 90 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 90 gM = 4.003 g/molV = 20 LT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 N₂이(가) 250 kPa, 10 L, 15 °C에서 350 kPa, 70 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 250 kPaV1 = 10 LT1 = 15 °CP2 = 350 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 650 °CTL​ = 20 °CEQH​QL​η = 41%

열기관이 650 °C의 열원에서 열을 받고 20 °C의 주위로 열을 방출한다. 실제 열효율은 41%이다. 실제 효율과 카르노 효율의 비인 제2법칙 효율 ηII을(를) 구하시오.

TH = 650 °CTL = 20 °Cη = 41%
ηII = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 750 °CT0​ = 25 °CTL​ = -20 °CERWQ̇H​ = 50 kWQ̇L​ = ?

카르노 열기관이 750 °C의 열원에서 50 kW의 열을 받고 25 °C의 주위로 열을 방출한다. 그 일은 모두 카르노 냉동기를 구동하며, 냉동기는 -20 °C의 냉동고에서 열을 제거하고 역시 25 °C의 주위로 열을 방출한다. 냉동고에서 열을 제거하는 비율 Q̇L을(를) 구하시오.

TH = 750 °CT0 = 25 °CTL = -20 °CQ̇H = 50 kW
Q̇L = kW
19.파동, 소리, 광학보통
75 dB?10 m40 m

작은 음원이 모든 방향으로 똑같이 소리를 낸다. 음원에서 10 m 떨어진 곳의 수준이 75 dB이다. 흡수와 반사를 무시할 때 40 m 떨어진 곳의 수준 β2을(를) 구하시오.

β1 = 75 dBr1 = 10 mr2 = 40 m
β2 = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 450 nmd = 0.4 mmL = 1.2 m

파장 450 nm의 빛이 0.4 mm 떨어진 두 슬릿에 입사한다. 스크린은 1.2 m 떨어져 있다. 이웃한 밝은 무늬 사이의 간격 Δy을(를) 구하시오.

λ = 450 nmd = 0.4 mmL = 1.2 m
Δy = mm

3용액

1.운동학

답: v = 82.46 m/s

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.

그 거리 후의 속력

v = √(2·a·s) = √(2·2·1700) = 82.46 m/s

답

v = 82.46 m/s
(296.9 km/h)
2.운동학

답: hmax = 683.3 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.

동력 비행 단계

v₁ = 34·3 = 102 m/s
h₁ = ½·34·3² = 153 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 102²/(2·9.81) = 530.3 m
hmax = 153 + 530.3 = 683.3 m

답

hmax = 683.3 m
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.1542

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.

감속도

a = v₀²/(2d) = 5.5²/(2·10) = 1.512 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.512/9.81 = 0.1542

답

μ = 0.1542
4.뉴턴 법칙

답: T = 56.84 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.

전체 계

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (120 − 27.96)/19 = 4.844 m/s²

뒤쪽 블록만

T = m1·(a + μ·g) = 9·(4.844 + 1.472) = 56.84 N

답

T = 56.84 N

두 블록의 μ가 같으면 마찰이 빠집니다: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.포물선 운동

답: x = 10.19 m

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 45° = 7.071 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 45° = 7.071 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·7.071/9.81 = 1.442 s

수평 거리

x = vx·t = 7.071·1.442 = 10.19 m

답

x = 10.19 m
6.포물선 운동

답: x = 89.88 m

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 = 22·cos 20° = 20.67 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 20° = 7.524 m/s

체공 시간

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

0 = 60 + 7.524·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7.524 + √(56.62 + 1177))/9.81 = 4.348 s

수평 거리

x = vx·t = 20.67·4.348 = 89.88 m

답

x = 89.88 m
7.일과 에너지

답: Wf = 5.203 J

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).

마찰력

N = mg·cos θ = 9.81·0.7071 = 6.937 N
F = μN = 0.15·6.937 = 1.041 N

마찰에 대한 일

Wf = F·d = 1.041·5 = 5.203 J

답

Wf = 5.203 J
8.일과 에너지

답: v = 8.859 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 = 9.81·(4.5 − 0.2·2.5) = 39.24 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·4) = 8.859 m/s

답

v = 8.859 m/s
9.운동량과 충돌

답: v′2 = 6.143 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 전 운동량

p = M·u = 18·21 = 378 kg·m/s

충돌 후 운동량

378 = 4·73 + 14·v′2
v′2 = (378 − 292)/14 = 6.143 m/s

답

v′2 = 6.143 m/s
10.운동량과 충돌

답: v1 = 33.05 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 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.7·9.81·21.5) = 17.18 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2500·17.18/1300 = 33.05 m/s

답

v1 = 33.05 m/s
(119 km/h)
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 = 1.857 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 + 1.5/2 = 1.75 m
A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²
수문d = 1 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·1.75·4.5 = 97.34 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 3·1.5³/12 = 0.8438 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1.75 + 0.8438/(1.75·4.5) = 1.857 m

답

ycp = 1.857 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 386.1 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 = 0.75·(200/75)² = 5.333 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.75² − 5.333²)/1000 = −13.94 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 400 + (−13.94) = 386.1 kPa

답

p2 = 386.1 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 32.08 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)·9.81·0.06 = 7416 Pa

목의 유속

연속 방정식과 베르누이 식을 함께 쓰면 이상적인 목의 유속이 나옵니다.

β = 100/150 = 0.6667
v2 = √(2·7416/(1000·(1 − 0.1975))) = 4.299 m/s

실제 유량

Q = Cd·A2·v2 = 0.95·0.007854·4.299 = 0.03208 m³/s = 32.08 L/s

답

Q = 32.08 L/s
15.이상 기체 법칙

답: P = 2740 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 90/4.003 = 22.48 mol
T = 20 + 273.15 = 293.1 K

압력

P = nRT/V = 22.48·8.314·293.1/0.02 = 2740 kPa

답

P = 2740 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 8.506 L

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

절대 온도

T1 = 288.1 K, T2 = 343.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(250/350)·(343.1/288.1) = 8.506 L

답

V2 = 8.506 L
17.열기관과 냉동기

답: ηII = 60.08 %

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 = 650 + 273.15 = 923.1 K
TL = 20 + 273.15 = 293.1 K

카르노 효율

ηCarnot = 1 − 293.1/923.1 = 68.24 %

제2법칙 효율

ηII = η/ηCarnot = 41/68.24 = 60.08 %

답

ηII = 60.08 %
18.열기관과 냉동기

답: Q̇L = 199.3 kW

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 = 750 + 273.15 = 1023 K
T0 = 25 + 273.15 = 298.1 K
TL = -20 + 273.15 = 253.1 K

기관의 일

η = 1 − 298.1/1023 = 0.7086
Ẇ = 0.7086·50 = 35.43 kW

냉동기가 제거한 열

COPR = 253.1/(298.1 − 253.1) = 5.626
Q̇L = 5.626·35.43 = 199.3 kW

답

Q̇L = 199.3 kW
19.파동, 소리, 광학

답: β2 = 62.96 dB

파동: 주기적인 파동은 한 주기에 한 파장을 이동하므로 v = fλ이고 T = 1/f입니다. 팽팽한 줄에서는 v = √(T/μ)이며, T는 장력, μ = m/L은 1미터당 질량입니다. 공기 중의 소리는 20 °C에서 약 343 m/s로, 진공 중의 빛은 c = 3.00 × 10⁸ m/s로 진행합니다. 소리의 크기는 로그 눈금으로 측정합니다: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, I₀ = 10⁻¹² W/m²이므로 세기가 10배가 되면 10 dB가 늘어납니다. 점음원은 일률 P를 구면 위로 퍼뜨립니다: I = P/(4πr²).

세기의 비

I₂/I₁ = (10/40)² = 0.0625

새로운 수준

β₂ = 75 + 10·log₁₀(0.0625) = 62.96 dB

답

β2 = 62.96 dB

거리가 두 배가 될 때마다 수준이 약 6 dB씩 낮아집니다.

20.파동, 소리, 광학

답: Δy = 1.35 mm

간섭과 회절: 거리 d만큼 떨어진 두 슬릿을 지난 빛은 경로차 d·sin θ를 가지고 스크린의 한 점에 도달합니다. 밝은 무늬는 d·sin θ = mλ(m = 0, ±1, ±2, …)인 곳에 나타납니다. 스크린까지의 거리 L ≫ d이면 m번째 밝은 무늬는 y = mλL/d에 있고 무늬 간격은 Δy = λL/d입니다. 1 mm당 N개의 선이 있는 격자는 d = 1/N이고 d·sin θ = mλ에서 날카로운 극대를 만듭니다. sin θ ≤ 1이므로 가장 높은 차수는 m ≤ d/λ를 만족하는 가장 큰 정수입니다. 폭 a의 단일 슬릿은 a·sin θ = mλ (m = ±1, ±2, …)에서 어두운 무늬를 만듭니다.

무늬 간격

Δy = λL/d = 450 × 10⁻⁹·1.2/(0.4 × 10⁻³) = 1.35 mm

답

Δy = 1.35 mm

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