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 s30

108 km/h로 달리던 자동차가 6 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 108 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 6 m/s35 m

지면에서 35 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 6 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 던진 뒤 공이 지면에 닿을 때까지의 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 6 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 10.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 10.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 110 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 10.5 m/sd = 110 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 35°블록v₀ = 6 m/s

블록을 밀어 35° 경사로 위로 6 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 6 m/sθ = 35°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 36 m/s55°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 55° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 36 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 33 m/s60°수평 도달 거리

공을 높이 45 m인 절벽 위에서 수평에서 60° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 33 m/sθ = 60°h = 45 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
50°L = 1.5 m10 kg

10 kg 공이 길이 1.5 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 50°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 10 kgL = 1.5 mθ = 50°g = 9.81 m/s²
T = N
8.일과 에너지어려움
h = 3.5 mL = 2 mμ = 0.15k = 5000 N/m

질량 2.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.15)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 5000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgh = 3.5 mL = 2 mμ = 0.15k = 5000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
1200 kg8 m/s1600 kg

8 m/s로 움직이는 1200 kg 자동차가 정지해 있는 1600 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1200 kgv1 = 8 m/sm2 = 1600 kgv2 = 0
ΔK = J
10.운동량과 충돌어려움
20 m/s13 m/s

질량 0.6 kg인 공이 20 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 13 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 20 ms이다. 벽이 공에 작용한 평균 힘 Favg을(를) 구하시오.

m = 0.6 kgvin = 20 m/svout = 13 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
11.정수압보통
수문d = 2.5 mH = 2.5 m

폭 1.5 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 = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 0.5 mH = 2.5 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 글리세린이(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 = 2.5 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 100 mm, p1​ = 390 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

물이 100 mm에서 75 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 390 kPa, 유속은 3 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 100 mmd2 = 75 mmp1 = 390 kPav1 = 3 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
H = ?d1​ = 100 mmp1​ = 40 kPad2​ = 30 mm

분수 노즐이 똑바로 위를 향한다. 노즐 바로 아래 공급관의 지름은 100 mm, 계기 압력은 40 kPa이다. 노즐 출구 지름은 30 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 = 100 mmp1 = 40 kPa (게이지압)d2 = 30 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
15.이상 기체 법칙보통
He 410 gV = 20 LT = 65 °CP = ?

부피 20 L인 탱크에 65 °C의 He 410 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 410 gM = 4.003 g/molV = 20 LT = 65 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 CO₂이(가) 400 kPa, 5 L, 40 °C에서 400 kPa, 180 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 400 kPaV1 = 5 LT1 = 40 °CP2 = 400 kPaT2 = 180 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 500 °CTL​ = 10 °CEQH​QL​η = 32%

열기관이 500 °C의 열원에서 열을 받고 10 °C의 주위로 열을 방출한다. 실제 열효율은 32%이다. 실제 효율과 카르노 효율의 비인 제2법칙 효율 ηII을(를) 구하시오.

TH = 500 °CTL = 10 °Cη = 32%
ηII = %
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 30 °CTL​ = 2 °CRQ̇H​Q̇L​ = 5 kWẆ = ?

냉장고가 30 °C인 부엌에서 냉장실을 2 °C로 유지하며 냉장실에서 5 kW의 열을 제거한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 30 °CTL = 2 °CQ̇L = 5 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
L = 0.65 mn = 3

양 끝이 고정된 줄의 길이는 0.65 m이고 그 위로 파동이 300 m/s로 진행한다. 3번째 배진동의 진동수 f3을(를) 구하시오.

v = 300 m/sn = 3L = 0.65 m
f3 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
θa​ = ?n1​ = 1.46n2​ = 1.44n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.46이고 클래딩은 n₂ = 1.44이다. 공기 중의 빛이 섬유의 끝면으로 들어가 전반사로 계속 안내될 수 있는 섬유 축에 대한 최대 각 θa을(를) 구하시오.

n1 = 1.46n2 = 1.44n0 = 1.00
θa = °

3용액

1.운동학

답: s = 75 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 = 108/3.6 = 30 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·6) = 75 m

답

s = 75 m
2.운동학

답: t = 3.352 s

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.

운동 방정식

위쪽이 양이고, 지면은 출발점보다 h₀ 아래에 있습니다.

−35 = 6·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 6·t − 35 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (6 + √(6² + 2·9.81·35))/9.81 = 3.352 s

답

t = 3.352 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.05108

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) = 10.5²/(2·110) = 0.5011 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0.5011/9.81 = 0.05108

답

μ = 0.05108
4.뉴턴 법칙

답: d = 2.635 m

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

두 힘 모두 경사면 아래를 향하며, 질량은 약분됩니다.

a = 9.81·(sin 35° + 0.15·cos 35°) = 6.832 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 6²/(2·6.832) = 2.635 m

답

d = 2.635 m
5.포물선 운동

답: t = 6.012 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 = 36·cos 55° = 20.65 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 55° = 29.49 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·29.49/9.81 = 6.012 s

답

t = 6.012 s
6.포물선 운동

답: t = 7.116 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 = 33·cos 60° = 16.5 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 60° = 28.58 m/s

체공 시간

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

0 = 45 + 28.58·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (28.58 + √(816.7 + 882.9))/9.81 = 7.116 s

답

t = 7.116 s
7.일과 에너지

답: T = 168.2 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.

바닥에서의 속력

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·1.5·(1 − cos 50°) = 10.51 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
T = mg + mv²/L = 98.1 + 10·10.51/1.5 = 168.2 N

답

T = 168.2 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 168.2 N.

8.일과 에너지

답: v = 7.924 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 = 24.53·(3.5 − 0.15·2) = 78.48 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3.2) = 7.924 m/s

답

v = 7.924 m/s
9.운동량과 충돌

답: ΔK = 21943 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) = 1200·8/2800 = 3.429 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1200·8² = 38400 J
Kafter = ½·2800·3.429² = 16457 J

잃은 에너지

ΔK = 38400 − 16457 = 21943 J

답

ΔK = 21943 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: Favg = 990 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 = 0.6·(13 + 20) = 19.8 N·s

평균 힘

Favg = J/Δt = 19.8/0.02 = 990 N

답

Favg = 990 N
11.정수압

답: F = 138 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 = 2.5·1.5 = 3.75 m²
수문d = 2.5 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.75·3.75 = 138 kN

답

F = 138 kN
12.정수압

답: ycp = 2.048 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 + 2.5/2 = 1.75 m
A = H·b = 2.5·1 = 2.5 m²
수문d = 0.5 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·1.75·2.5 = 54.08 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1·2.5³/12 = 1.302 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 1.75 + 1.302/(1.75·2.5) = 2.048 m

답

ycp = 2.048 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 380.3 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 = 3·(100/75)² = 5.333 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(3² − 5.333²)/1000 = −9.722 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 390 + (−9.722) = 380.3 kPa

답

p2 = 380.3 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: H = 4.111 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 = 30/100 = 0.3
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·40000/(1000·0.9919)) = 8.981 m/s

분류의 높이

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

H = v2²/(2g) = 8.981²/(2·9.81) = 4.111 m

답

H = 4.111 m
15.이상 기체 법칙

답: P = 14398 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 410/4.003 = 102.4 mol
T = 65 + 273.15 = 338.1 K

압력

P = nRT/V = 102.4·8.314·338.1/0.02 = 14398 kPa

답

P = 14398 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 7.235 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) = 5·(400/400)·(453.1/313.1) = 7.235 L

답

V2 = 7.235 L
17.열기관과 냉동기

답: ηII = 50.49 %

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 = 500 + 273.15 = 773.1 K
TL = 10 + 273.15 = 283.1 K

카르노 효율

ηCarnot = 1 − 283.1/773.1 = 63.38 %

제2법칙 효율

ηII = η/ηCarnot = 32/63.38 = 50.49 %

답

ηII = 50.49 %
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 0.5088 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 = 30 + 273.15 = 303.1 K
TL = 2 + 273.15 = 275.1 K

가능한 최고 COP

COPR,max = TL/(TH − TL) = 275.1/(303.1 − 275.1) = 9.827

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇L/COP = 5/9.827 = 0.5088 kW

답

Ẇmin = 0.5088 kW
19.파동, 소리, 광학

답: f3 = 692.3 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 = 2L/n = 2·0.65/3 = 0.4333 m

진동수

f = v/λ = 300/0.4333 = 692.3 Hz

답

f3 = 692.3 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: θa = 13.94 °

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.

클래딩에서의 임계각

sin θc = 1.44/1.46 = 0.9863 → θc = 80.51°

개구수

NA = √(1.46² − 1.44²) = 0.2408

수광각

θa = arcsin(0.2408) = 13.94°

답

θa = 13.94°

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