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)5.556 s22.22

80 km/h로 달리던 자동차가 4 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 80 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 10 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 10 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 10 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
20 kg25°F = 60 Nμ = 0.2

20 kg 썰매를 수평 위 25° 방향의 로프로 60 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 20 kgF = 60 Nθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 20°블록v₀ = 11.5 m/s

블록을 밀어 20° 경사로 위로 11.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 11.5 m/sθ = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 110 m

평지에서 공을 34 m/s로 발사해 110 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 = 34 m/sR = 110 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.포물선 운동어려움
h = 5 mv0​ = 10 m/s40°x = ?

공을 높이 5 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 10 m/sθ = 40°h = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.일과 에너지보통
40°d = 19 mμ = 0.25

블록이 수평과 40°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 경사면을 따라 19 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 40°μ = 0.25d = 19 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
8.일과 에너지어려움
h = 9.6 mR = 3 mN = ?

2 kg 수레가 반지름 3 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 9.6 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 트랙이 수레에 작용하는 수직항력 N을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 9.6 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
N = N
9.운동량과 충돌보통
2 kg5 m/s4 kg

5 m/s로 움직이는 질량 2 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 4 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 2 kgm2 = 4 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
1900 kgv1​ = ?1000 kg

1900 kg 자동차가 주차된 1000 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 22 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 = 1900 kgm2 = 1000 kgd = 22 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
11.정수압보통
수문d = 1 mH = 3 m

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

d = 1 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 2.5 mH = 3 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 글리세린이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2.5 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 2.5 mH = 3 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
Q = ?d = 50 mm, Cd​ = 0.64h = 5 m

큰 열린 탱크의 물이 지름 50 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 5 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.64이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d = 50 mmh = 5 mCd = 0.64g = 9.81 m/s²
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
d1​ = 80 mmd2​ = 40 mm12Δh = 200 mm수은Q = ?

수평 벤투리미터(입구 80 mm, 목 40 mm)에 물이 흐른다. 입구와 목 사이에 연결된 수은 U자관 마노미터의 액면 차는 200 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 = 80 mmd2 = 40 mmΔh = 200 mmCd = 0.95ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
He 170 gV = 20 LT = 75 °CP = ?

부피 20 L인 탱크에 75 °C의 He 170 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 170 gM = 4.003 g/molV = 20 LT = 75 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
N₂, M = 28.01 g/molP = 750 kPaT = 130 °Cρ = ?

750 kPa, 130 °C에서 N₂의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 28.01 g/molP = 750 kPaT = 130 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 625 °CTL​ = 5 °CEQH​QL​W

열기관이 625 °C의 고온 열원과 5 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 가능한 최대 열효율 ηmax을(를) 구하시오.

TH = 625 °CTL = 5 °C
ηmax = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 850 °CTL​ = 30 °CEQH​ = 3000 kJQL​ = 1260 kJW = 1740 kJ

열기관이 사이클마다 850 °C의 열저장소에서 3000 kJ의 열을 받아 1740 kJ의 일을 하고 나머지를 30 °C의 열저장소로 방출한다. 사이클당 총 엔트로피 생성량 Sgen을(를) 구하시오.

TH = 850 °CTL = 30 °CQH = 3000 kJW = 1740 kJ
Sgen = kJ/K
19.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 60 cmf = 25 cm

물체가 초점 거리 25 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 60 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 60 cmf = 25 cm
di = cm
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 589 nmθ3​ = ?

파장 589 nm의 빛이 1 mm당 300개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 3차 극대의 각 θ3을(를) 구하시오.

N = 300 mm⁻¹λ = 589 nmm = 3
θ3 = °

3용액

1.운동학

답: s = 61.73 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.

단위

v₀ = 80/3.6 = 22.22 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·4) = 61.73 m

답

s = 61.73 m
2.운동학

답: hmax = 30.1 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 = 10²/(2·9.81) = 5.097 m

지면으로부터의 높이

hmax = 25 + 5.097 = 30.1 m

답

hmax = 30.1 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.01 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.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 196.2 − 60·sin 25° = 170.8 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 54.38 − 34.17
a = 20.21/20 = 1.01 m/s²

답

a = 1.01 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 11.68 m

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.

감속도

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 20° + 0.25·cos 20°) = 5.66 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 11.5²/(2·5.66) = 11.68 m

답

d = 11.68 m
5.포물선 운동

답: θ = 34.49 °

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

수평 도달 거리 공식

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·110/34² = 0.9335

위상각

2θ = 68.98° → θ = 34.49°

답

θ = 34.49°

다른 해는 90° − θ = 55.51°입니다.

6.포물선 운동

답: x = 14.24 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 40° = 7.66 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 40° = 6.428 m/s

체공 시간

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

0 = 5 + 6.428·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (6.428 + √(41.32 + 98.1))/9.81 = 1.859 s

수평 거리

x = vx·t = 7.66·1.859 = 14.24 m

답

x = 14.24 m
7.일과 에너지

답: v = 12.97 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).

경사면을 따른 에너지 수지

블록이 높이 d·sin θ만큼 내려가는 동안 마찰이 μmg·cos θ·d를 빼앗습니다. 질량이 소거됩니다.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·19·(0.6428 − 0.25·0.766)) = 12.97 m/s

답

v = 12.97 m/s
8.일과 에너지

답: N = 27.47 N

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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(9.6 − 6) = 70.63 m²/s²

꼭대기에서의 힘

m·g = 2·9.81 = 19.62 N
N = mv²/R − mg = 2·70.63/3 − 19.62 = 27.47 N

답

N = 27.47 N

h = 2.5R이면 수레가 겨우 루프를 돌며, 이때 꼭대기에서 N = 0입니다.

9.운동량과 충돌

답: v′2 = 3.333 m/s

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.

정지한 표적과의 탄성 충돌

운동량 보존과 에너지 보존을 연립해 풀면 이 두 결과가 나옵니다.

v′1 = (2 − 4)/(2 + 4)·5 = −1.667 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 4)·5 = 3.333 m/s

답

v′2 = 3.333 m/s
10.운동량과 충돌

답: v1 = 26.53 m/s

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.

충돌 후의 속력

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.7·9.81·22) = 17.38 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2900·17.38/1900 = 26.53 m/s

답

v1 = 26.53 m/s
(95.51 km/h)
11.정수압

답: F = 73.58 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 + 3/2 = 2.5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
수문d = 1 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.5·3 = 73.58 kN

답

F = 73.58 kN
12.정수압

답: ycp = 4.188 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 = 2.5 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
수문d = 2.5 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·4·3 = 148.3 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1·3³/12 = 2.25 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 4 + 2.25/(4·3) = 4.188 m

답

ycp = 4.188 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 12.45 L/s

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.

이상 분류 속도

√(2gh) = √(2·9.81·5) = 9.905 m/s

실제 유량

유량 계수는 분류의 수축과 가장자리의 마찰을 반영합니다.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0.64·0.001963·9.905 = 0.01245 m³/s = 12.45 L/s

답

Q = 12.45 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 8.67 L/s

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.

마노미터에서 구한 압력 차

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.2 = 24721 Pa

목의 유속

연속 방정식과 베르누이 식을 함께 쓰면 이상적인 목의 유속이 나옵니다.

β = 40/80 = 0.5
v2 = √(2·24721/(1000·(1 − 0.0625))) = 7.262 m/s

실제 유량

Q = Cd·A2·v2 = 0.95·0.001257·7.262 = 0.00867 m³/s = 8.67 L/s

답

Q = 8.67 L/s
15.이상 기체 법칙

답: P = 6146 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 170/4.003 = 42.47 mol
T = 75 + 273.15 = 348.1 K

압력

P = nRT/V = 42.47·8.314·348.1/0.02 = 6146 kPa

답

P = 6146 kPa
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 6.268 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 130 + 273.15 = 403.1 K

밀도

ρ = 750·28.01/(8.314·403.1) = 6.268 kg/m³

답

ρ = 6.268 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: ηmax = 69.03 %

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 = 625 + 273.15 = 898.1 K
TL = 5 + 273.15 = 278.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 278.1/898.1 = 69.03 %

답

ηmax = 69.03 %
18.열기관과 냉동기

답: Sgen = 1.485 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 = 3000 − 1740 = 1260 kJ

절대 온도

TH = 850 + 273.15 = 1123 K
TL = 30 + 273.15 = 303.1 K

열저장소의 엔트로피 변화

ΔSH = −3000/1123 = −2.671 kJ/K
ΔSL = 1260/303.1 = 4.156 kJ/K
Sgen = 4.156 − 2.671 = 1.485 kJ/K

답

Sgen = 1.485 kJ/K

Sgen > 0이므로 이 기관은 가능하지만 비가역입니다.

19.파동, 소리, 광학

답: di = 42.86 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.

얇은 렌즈 공식

1/di = 1/f − 1/do = 1/25 − 1/60
di = 42.86 cm
FF60 cmf = 25 cm

광선도

실상, 렌즈의 반대쪽

답

di = 42.86 cm
20.파동, 소리, 광학

답: θ3 = 32.01 °

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.

선 간격

d = 1/300 mm = 3.333 × 10⁻⁶ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 3·589 × 10⁻⁹/(3.333 × 10⁻⁶) = 0.5301
θ = 32.01°

답

θ3 = 32.01°

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