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)0.9 s33.33

120 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 0.9 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 8 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 120 km/htr = 0.9 sa = −8 m/s²
d = m
2.운동학어려움
a = 40 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 3 s 동안 위쪽으로 일정한 가속도 40 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 = 40 m/s²t1 = 3 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
10 kg35°F = 90 Nμ = 0.25

10 kg 썰매를 수평 위 35° 방향의 로프로 90 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 10 kgF = 90 Nθ = 35°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 3 kg8.5 kgθ = 25°

25° 경사로 위의 3 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 8.5 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 = 3 kgm2 = 8.5 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 26 m/s70°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 70° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 26 m/sθ = 70°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 40 mv0​ = 30 m/s55°수평 도달 거리

공을 높이 40 m인 절벽 위에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 30 m/sθ = 55°h = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
0.5 kgk = 800 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 800 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.5 kg 공을 올려놓고 스프링을 8 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgk = 800 N/mx = 8 cmg = 9.81 m/s²
h = m
8.일과 에너지어려움
h = 12 mR = 3 mv = ?

1 kg 수레가 반지름 3 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 12 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 수레의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 12 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
1 kg6 m/s2.5 kg

6 m/s로 움직이는 질량 1 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 2.5 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 첫 번째 글라이더의 속도 v′1을(를) 구하시오(처음 진행 방향을 양으로 한다).

m1 = 1 kgm2 = 2.5 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
4.5 kgv = ?5 g10°L = 1.9 m

5 g 총알을 길이 1.9 m의 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 10°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 4.5 kgL = 1.9 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
11.정수압보통
수문d = 2.5 mH = 2.5 m

폭 2 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 2.5 mH = 2.5 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 0.5 mH = 1 m

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 0.5 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 0.5 mH = 1 mb = 3 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 75 mm, p1​ = 240 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?

물이 75 mm에서 40 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 240 kPa, 유속은 2.25 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 240 kPav1 = 2.25 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 150 mm, p1​ = 230 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 7 m

물이 150 mm에서 50 mm(으)로 좁아지며 7 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 230 kPa, 유속은 1.25 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 150 mmd2 = 50 mmp1 = 230 kPav1 = 1.25 m/sΔz = 7 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
O₂ 420 gV = 30 LT = 20 °CP = ?

부피 30 L인 탱크에 20 °C의 O₂ 420 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 420 gM = 32 g/molV = 30 LT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 O₂이(가) 100 kPa, 20 L, 40 °C에서 600 kPa, 70 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 100 kPaV1 = 20 LT1 = 40 °CP2 = 600 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 675 °CTL​ = 40 °CEQH​ = 3700 kJQL​W = ?

열기관이 675 °C의 고온 열원과 40 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 3700 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 675 °CTL = 40 °CQH = 3700 kJ
Wmax = kJ
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 400 °CTL​ = 25 °CEQH​ = 4300 kJQL​ = 2881 kJW = 1419 kJ

열기관이 사이클마다 400 °C의 열저장소에서 4300 kJ의 열을 받아 1419 kJ의 일을 하고 나머지를 25 °C의 열저장소로 방출한다. 사이클당 총 엔트로피 생성량 Sgen을(를) 구하시오.

TH = 400 °CTL = 25 °CQH = 4300 kJW = 1419 kJ
Sgen = kJ/K
19.파동, 소리, 광학보통
FFdo​ = 50 cmf = 8 cm

물체가 초점 거리 8 cm인 얇은 수렴 렌즈 앞 50 cm에 서 있다. 상거리 di을(를) 구하시오. 부호 규약 1/f = 1/do + 1/di를 쓴다(오목 렌즈는 f < 0, 허상은 di < 0).

do = 50 cmf = 8 cm
di = cm
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 550 nmd = 0.25 mmL = 3 my = ?

파장 550 nm의 빛이 0.25 mm 떨어진 두 슬릿에 입사한다. 스크린은 3 m 떨어져 있다. 중앙 밝은 무늬에서 5번째 밝은 무늬까지의 거리 y5을(를) 구하시오.

λ = 550 nmd = 0.25 mmL = 3 mm = 5
y5 = mm

3용액

1.운동학

답: d = 99.44 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 33.33·0.9 = 30 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·8) = 69.44 m

합계

d = 30 + 69.44 = 99.44 m

답

d = 99.44 m
2.운동학

답: hmax = 913.9 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 = 40·3 = 120 m/s
h₁ = ½·40·3² = 180 m

위로의 자유 비행

최고점에서 속도는 0입니다.

Δh = v₁²/(2g) = 120²/(2·9.81) = 733.9 m
hmax = 180 + 733.9 = 913.9 m

답

hmax = 913.9 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 6.21 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.

수직항력

N = m·g − F·sin θ = 98.1 − 90·sin 35° = 46.48 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 73.72 − 11.62
a = 62.1/10 = 6.21 m/s²

답

a = 6.21 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 5.589 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 = 83.39 N
m₁·g·sin θ = 12.44 N
μ·m₁·g·cos θ = 6.668 N

계의 가속도

a = (83.39 − 12.44 − 6.668)/11.5 = 5.589 m/s²

답

a = 5.589 m/s²
5.포물선 운동

답: t = 4.981 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 = 26·cos 70° = 8.893 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 70° = 24.43 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·24.43/9.81 = 4.981 s

답

t = 4.981 s
6.포물선 운동

답: t = 6.304 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 = 30·cos 55° = 17.21 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 55° = 24.57 m/s

체공 시간

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

0 = 40 + 24.57·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (24.57 + √(603.9 + 784.8))/9.81 = 6.304 s

답

t = 6.304 s
7.일과 에너지

답: h = 0.5219 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 = 8 cm = 0.08 m
½kx² = ½·800·0.08² = 2.56 J

높이

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
h = ½kx²/(mg) = 2.56/4.905 = 0.5219 m

답

h = 0.5219 m
8.일과 에너지

답: v = 10.85 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). 원 궤도에서는 중심을 향한 알짜힘이 mv²/r과 같아야 합니다.

꼭대기에서의 속력

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(12 − 6) = 117.7 m²/s²
v = 10.85 m/s

답

v = 10.85 m/s

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

9.운동량과 충돌

답: v′1 = −2.571 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 = (1 − 2.5)/(1 + 2.5)·6 = −2.571 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 2.5)·6 = 3.429 m/s

답

v′1 = −2.571 m/s

음의 부호는 첫 번째 글라이더가 튕겨 되돌아간다는 뜻입니다.

10.운동량과 충돌

답: v = 678.1 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.

블록의 상승

h = L·(1 − cos θ) = 1.9·(1 − cos 10°) = 0.02887 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.02887) = 0.7526 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 4.505·0.7526/0.005 = 678.1 m/s

답

v = 678.1 m/s
11.정수압

답: F = 183.9 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 = 2.5 + 2.5/2 = 3.75 m
A = H·b = 2.5·2 = 5 m²
수문d = 2.5 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.75·5 = 183.9 kN

답

F = 183.9 kN
12.정수압

답: ycp = 1.083 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 = 0.5 + 1/2 = 1 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
수문d = 0.5 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·1·3 = 30.17 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 3·1³/12 = 0.25 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1 + 0.25/(1·3) = 1.083 m

답

ycp = 1.083 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 211.2 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 = 2.25·(75/40)² = 7.91 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.25² − 7.91²)/1000 = −28.75 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 240 + (−28.75) = 211.2 kPa

답

p2 = 211.2 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 98.83 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 = 1.25·(150/50)² = 11.25 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.25² − 11.25²)/1000 = −62.5 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·7/1000 = 68.67 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 230 + (−62.5) − 68.67 = 98.83 kPa

답

p2 = 98.83 kPa
15.이상 기체 법칙

답: P = 1066 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 420/32 = 13.13 mol
T = 20 + 273.15 = 293.1 K

압력

P = nRT/V = 13.13·8.314·293.1/0.03 = 1066 kPa

답

P = 1066 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 3.653 L

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

절대 온도

T1 = 313.1 K, T2 = 343.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 20·(100/600)·(343.1/313.1) = 3.653 L

답

V2 = 3.653 L
17.열기관과 냉동기

답: Wmax = 2478 kJ

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 = 675 + 273.15 = 948.1 K
TL = 40 + 273.15 = 313.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313.1/948.1 = 66.97 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.6697·3700 = 2478 kJ

답

Wmax = 2478 kJ
18.열기관과 냉동기

답: Sgen = 3.275 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 = 4300 − 1419 = 2881 kJ

절대 온도

TH = 400 + 273.15 = 673.1 K
TL = 25 + 273.15 = 298.1 K

열저장소의 엔트로피 변화

ΔSH = −4300/673.1 = −6.388 kJ/K
ΔSL = 2881/298.1 = 9.663 kJ/K
Sgen = 9.663 − 6.388 = 3.275 kJ/K

답

Sgen = 3.275 kJ/K

Sgen > 0이므로 이 기관은 가능하지만 비가역입니다.

19.파동, 소리, 광학

답: di = 9.524 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 = 1/8 − 1/50
di = 9.524 cm
FF50 cmf = 8 cm

광선도

실상, 렌즈의 반대쪽

답

di = 9.524 cm
20.파동, 소리, 광학

답: y5 = 33 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 = 550 × 10⁻⁹·3/(0.25 × 10⁻³) = 6.6 mm

5번째 무늬

y5 = 5·6.6 = 33 mm

답

y5 = 33 mm

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