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)t = ?16.67

60 km/h로 달리던 자동차가 8 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동하는 데 걸리는 시간 t을(를) 구하시오.

v₀ = 60 km/ha = −8 m/s²v = 0
t = s
2.운동학어려움
a = 34 m/s²

모형 로켓을 정지 상태에서 똑바로 위로 발사한다. 엔진은 2.5 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. 발사 후 얼마 만에 지면에 떨어지는가? t을(를) 구하시오.

a = 34 m/s²t1 = 2.5 sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
25 kg35°F = 150 Nμ = 0.2

25 kg 썰매를 수평 위 35° 방향의 로프로 150 N의 힘으로 평평한 눈 위에서 끈다. 운동 마찰 계수는 0.2이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 썰매의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 25 kgF = 150 Nθ = 35°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
θ = 30°블록v₀ = 6.5 m/s

블록을 밀어 30° 경사로 위로 6.5 m/s의 속력으로 미끄러져 올라가게 한다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 블록은 멈추기 전까지 경사로를 따라 얼마나 멀리 d 미끄러지는가?

v₀ = 6.5 m/sθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
d = m
5.포물선 운동보통
v0​ = 12 m/s50°수평 도달 거리

공을 평지에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 12 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
t = s
6.포물선 운동어려움
h = 55 mv0​ = 28 m/s55°수평 도달 거리

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

v0 = 28 m/sθ = 55°h = 55 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
30°d = 7 mμ = 0.3

블록이 수평과 30°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.3이다. 경사면을 따라 7 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 30°μ = 0.3d = 7 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
8.일과 에너지어려움
h = 9 mR = 3 mv = ?

1 kg 수레가 반지름 3 m인 연직 원형 루프로 이어지는 매끄러운 트랙 위 높이 9 m에서 가만히 놓인다. 루프 꼭대기에서 수레의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 1 kgh = 9 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
1.5 kg2 m/s1 kg

2 m/s로 움직이는 질량 1.5 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 1 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 1.5 kgm2 = 1 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
1500 kgv1​ = ?1600 kg

1500 kg 자동차가 주차된 1600 kg 자동차를 들이받는다. 잔해는 한 덩어리가 되어 5.5 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 = 1500 kgm2 = 1600 kgd = 5.5 mμ = 0.7g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
11.정수압보통
수문d = 2.5 mH = 3 m

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

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 3 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 3 mH = 3 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
Q = ?d = 20 mm, Cd​ = 0.6h = 5 m

큰 열린 탱크의 물이 지름 20 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 5 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.6이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d = 20 mmh = 5 mCd = 0.6g = 9.81 m/s²
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 200 mm, p1​ = 190 kPad2​ = 100 mm, p2​ = ?Δz = 5 m

물이 200 mm에서 100 mm(으)로 좁아지며 5 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 190 kPa, 유속은 2.75 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 200 mmd2 = 100 mmp1 = 190 kPav1 = 2.75 m/sΔz = 5 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 370 gP = 650 kPaT = 100 °CV = ?

650 kPa, 100 °C에서 CH₄ 370 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 370 gM = 16.04 g/molP = 650 kPaT = 100 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 N₂이(가) 400 kPa, 2 L, 15 °C에서 700 kPa, 190 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 400 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 700 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 300 °CTL​ = 15 °CEQH​ = 2100 kJQL​W = ?

열기관이 300 °C의 고온 열원과 15 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 2100 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 300 °CTL = 15 °CQH = 2100 kJ
Wmax = kJ
18.열기관과 냉동기어려움
1000 °CTm​ = ?25 °CABWA​WB​

두 카르노 기관이 직렬로 작동한다. 기관 A는 1000 °C의 열저장소에서 열을 받아 온도 Tm의 중간 열저장소로 열을 방출한다. 기관 B는 그 열을 모두 받아 25 °C의 열저장소로 열을 방출한다. 두 기관의 열효율이 같다. Tm을(를) °C로 구하시오.

TH = 1000 °CTL = 25 °C
Tm = °C
19.파동, 소리, 광학보통
θc = ?90°다이아몬드, n1​ = 2.42글리세롤, n2​ = 1.47

빛이 다이아몬드(n = 2.42) 속에서 글리세롤(n = 1.47)과의 평평한 경계를 향해 진행한다. 그 각을 넘으면 전반사되는 임계각 θc을(를) 구하시오.

n1 = 2.42n2 = 1.47
θc = °
20.파동, 소리, 광학어려움
SO20 m/sf = 25 kHz

정지한 센서가 20 m/s로 다가오는 자동차를 향해 25 kHz의 초음파를 보내고, 반향을 송신 신호와 섞는다. 맥놀이 진동수 fb을(를) 구하시오(소리의 속력 343 m/s).

f = 25 kHzu = 20 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3용액

1.운동학

답: t = 2.083 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.

단위

v₀ = 60/3.6 = 16.67 m/s

제동 시간

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 16.67/8 = 2.083 s

답

t = 2.083 s
2.운동학

답: t = 21 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.

동력 비행 단계

v₁ = 34·2.5 = 85 m/s
h₁ = ½·34·2.5² = 106.3 m

지면까지의 자유 비행

−h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²을 풀어 양의 근을 취합니다.

t₂ = (85 + √(85² + 2·9.81·106.3))/9.81 = 18.5 s
t = 2.5 + 18.5 = 21 s

답

t = 21 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 3.641 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 = 245.3 − 150·sin 35° = 159.2 N

수평 방향의 힘

m·a = F·cos θ − μ·N = 122.9 − 31.84
a = 91.03/25 = 3.641 m/s²

답

a = 3.641 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: d = 3.671 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 30° + 0.1·cos 30°) = 5.755 m/s²

거리

d = v₀²/(2a) = 6.5²/(2·5.755) = 3.671 m

답

d = 3.671 m
5.포물선 운동

답: t = 1.874 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 = 12·cos 50° = 7.713 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 50° = 9.193 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·9.193/9.81 = 1.874 s

답

t = 1.874 s
6.포물선 운동

답: t = 6.422 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 = 28·cos 55° = 16.06 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 55° = 22.94 m/s

체공 시간

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

0 = 55 + 22.94·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (22.94 + √(526.1 + 1079))/9.81 = 6.422 s

답

t = 6.422 s
7.일과 에너지

답: v = 5.744 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 = √(2·9.81·7·(0.5 − 0.3·0.866)) = 5.744 m/s

답

v = 5.744 m/s
8.일과 에너지

답: v = 7.672 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·(9 − 6) = 58.86 m²/s²
v = 7.672 m/s

답

v = 7.672 m/s

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

9.운동량과 충돌

답: v′2 = 2.4 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 = (1.5 − 1)/(1.5 + 1)·2 = 0.4 m/s
v′2 = 2·1.5/(1.5 + 1)·2 = 2.4 m/s

답

v′2 = 2.4 m/s
10.운동량과 충돌

답: v1 = 17.96 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) = √(2·0.7·9.81·5.5) = 8.691 m/s

충돌에서의 운동량

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3100·8.691/1500 = 17.96 m/s

답

v1 = 17.96 m/s
(64.66 km/h)
11.정수압

답: F = 353.2 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 + 3/2 = 4 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
수문d = 2.5 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4·9 = 353.2 kN

답

F = 353.2 kN
12.정수압

답: F = 132.4 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 = 3 + 3/2 = 4.5 m
A = H·b = 3·1 = 3 m²
수문d = 3 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4.5·3 = 132.4 kN

답

F = 132.4 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 1.867 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.

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) = 0.6·0.0003142·9.905 = 0.001867 m³/s = 1.867 L/s

답

Q = 1.867 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 84.23 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 = 2.75·(200/100)² = 11 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.75² − 11²)/1000 = −56.72 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·5/1000 = 49.05 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 190 + (−56.72) − 49.05 = 84.23 kPa

답

p2 = 84.23 kPa
15.이상 기체 법칙

답: V = 110.1 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 370/16.04 = 23.07 mol
T = 100 + 273.15 = 373.1 K

부피

V = nRT/P = 23.07·8.314·373.1/650 = 110.1 L

답

V = 110.1 L
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 1.837 L

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

절대 온도

T1 = 288.1 K, T2 = 463.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(400/700)·(463.1/288.1) = 1.837 L

답

V2 = 1.837 L
17.열기관과 냉동기

답: Wmax = 1044 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 = 300 + 273.15 = 573.1 K
TL = 15 + 273.15 = 288.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 288.1/573.1 = 49.73 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.4973·2100 = 1044 kJ

답

Wmax = 1044 kJ
18.열기관과 냉동기

답: Tm = 343 °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.

절대 온도

TH = 1000 + 273.15 = 1273 K
TL = 25 + 273.15 = 298.1 K

같은 효율

1 − Tm/TH = 1 − TL/Tm에서 Tm² = TH·TL.

Tm = √(1273·298.1) = 616.1 K = 343 °C

답

Tm = 343 °C
19.파동, 소리, 광학

답: θc = 37.4 °

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.

90°에서의 굴절

sin θc = n₂/n₁ = 1.47/2.42 = 0.6074

임계각

θc = arcsin(0.6074) = 37.4°

답

θc = 37.4°
20.파동, 소리, 광학

답: fb = 3096 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.

자동차에서의 진동수

f′ = 25000·(343 + 20)/343 = 26458 Hz

반향의 진동수

f″ = f′·343/(343 − 20) = 28096 Hz

맥놀이 진동수

fb = |f″ − f| = 3096 Hz

답

fb = 3096 Hz

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