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)1.4 s12.5

45 km/h로 달리던 운전자가 장애물을 본다. 반응 시간은 1.4 s이고, 그 후 자동차는 일정한 감속도 4 m/s²로 제동한다. 장애물을 본 순간부터의 총 정지 거리 d을(를) 구하시오.

v₀ = 45 km/htr = 1.4 sa = −4 m/s²
d = m
2.운동학어려움
d = ?

돌을 우물에 가만히 떨어뜨린다. 돌을 놓고 3.6 s 후에 물소리가 들린다. 음속은 343 m/s이고, 공기 저항은 무시하며 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 우물의 깊이 d을(를) 구하시오.

ttotal = 3.6 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 30°30 kgF = ?

30 kg 상자를 수평과 30°를 이루는 경사로 위로 경사로에 평행한 힘으로 일정한 속력으로 민다. 운동 마찰 계수는 0.4이다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 미는 힘 F을(를) 구하시오.

m = 30 kgθ = 30°μ = 0.4g = 9.81 m/s²
F = N
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 10 kg6 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 10 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 6 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 10 kgm2 = 6 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
31 my = ?v0​ = 24 m/s30°

평지에서 공을 24 m/s, 수평 위 30°로 31 m 떨어진 벽을 향해 찬다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 벽을 몇 m 높이 y에서 지나는가?

v₀ = 24 m/sθ = 30°x = 31 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 28 m/s40°수평 도달 거리

공을 높이 20 m인 절벽 위에서 수평에서 40° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 28 m/sθ = 40°h = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
70°L = 3 m1 kg

1 kg 공이 길이 3 m인 가벼운 줄에 매달려 있다. 줄이 연직과 70°를 이룰 때까지 옆으로 당겼다가 가만히 놓는다. 공이 가장 낮은 점을 지날 때 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m = 1 kgL = 3 mθ = 70°g = 9.81 m/s²
T = N
8.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 4 mμ = 0.25k = 500 N/m

질량 0.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 4 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 500 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 0.5 kgh = 2.5 mL = 4 mμ = 0.25k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
600 kg16 m/s800 kg

16 m/s로 움직이는 600 kg 자동차가 정지해 있는 800 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 원래 운동 에너지의 몇 퍼센트 ΔK/K을(를) 잃는가?

m1 = 600 kgv1 = 16 m/sm2 = 800 kgv2 = 0
ΔK/K = %
10.운동량과 충돌어려움
1.5 kgv = ?5 g15°L = 1.9 m

5 g 총알을 길이 1.9 m의 가벼운 줄에 매달린 1.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 15°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 5 gM = 1.5 kgL = 1.9 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
11.정수압보통
수문d = 4 mH = 2 m

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 4 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 4 mH = 2 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 2 mH = 1 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 글리세린이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 2 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 2 mH = 1 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
d1​ = 250 mmd2​ = 125 mm12p1​ − p2​ = 33 kPaQ = ?

입구 지름 250 mm, 목 지름 125 mm인 수평 벤투리미터에 물이 흐른다. 입구의 압력은 목보다 33 kPa 높다. 손실을 무시하고 유량 Q을(를) 구하시오.

d1 = 250 mmd2 = 125 mmp1 − p2 = 33 kPaρ = 1000 kg/m³
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 75 mm, p1​ = 260 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?Δz = 8 m

물이 75 mm에서 50 mm(으)로 좁아지며 8 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 260 kPa, 유속은 0.5 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 260 kPav1 = 0.5 m/sΔz = 8 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
He 280 gV = 10 LT = 40 °CP = ?

부피 10 L인 탱크에 40 °C의 He 280 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 280 gM = 4.003 g/molV = 10 LT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 He이(가) 350 kPa, 2 L, 15 °C에서 350 kPa, 190 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 350 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 350 kPaT2 = 190 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 225 °CTL​ = 40 °CEQH​ = 2000 kJQL​W = ?

열기관이 225 °C의 고온 열원과 40 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 2000 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 225 °CTL = 40 °CQH = 2000 kJ
Wmax = kJ
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 22 °CTL​ = 0 °CHPQ̇H​ = 14 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 바깥이 0 °C일 때 집을 22 °C로 유지하며 집에 14 kW의 열을 공급한다. 최소 입력 동력 Ẇmin을(를) 구하시오.

TH = 22 °CTL = 0 °CQ̇H = 14 kW
Ẇmin = kW
19.파동, 소리, 광학보통
L = 1.5 mn = 5

양 끝이 고정된 줄의 길이는 1.5 m이고 그 위로 파동이 240 m/s로 진행한다. 5번째 배진동의 진동수 f5을(를) 구하시오.

v = 240 m/sn = 5L = 1.5 m
f5 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
θn1​ = 1.62n2​ = 1.52n0​ = 1.00

광섬유의 코어는 n₁ = 1.62이고 클래딩은 n₂ = 1.52이다. 개구수 NA을(를) 구하시오.

n1 = 1.62n2 = 1.52
NA =

3용액

1.운동학

답: d = 37.03 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

반응 거리

d1 = v₀·tr = 12.5·1.4 = 17.5 m

제동 거리

d2 = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·4) = 19.53 m

합계

d = 17.5 + 19.53 = 37.03 m

답

d = 37.03 m
2.운동학

답: d = 57.76 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.

시간의 두 부분

½·9.81·t₁² = 343·(3.6 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 1235 = 0

낙하 시간

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·1235))/(2·4.905) = 3.432 s

깊이

d = ½·9.81·3.432² = 57.76 m

답

d = 57.76 m
3.뉴턴 법칙

답: F = 249.1 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.

경사면 방향의 힘

일정한 속력: 힘이 평형을 이룹니다.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

미는 힘

F = 147.1 + 101.9 = 249.1 N

답

F = 249.1 N
4.뉴턴 법칙

답: T = 36.79 N

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.

계의 가속도

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (58.86 − 0)/16 = 3.679 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 10·3.679 + 0 = 36.79 N

답

T = 36.79 N
5.포물선 운동

답: y = 6.987 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

벽까지의 시간

vx = 24·cos 30° = 20.78 m/s
t = x/vx = 31/20.78 = 1.491 s

그 시각의 높이

y = 12·1.491 − ½·9.81·1.491² = 6.987 m

답

y = 6.987 m

공은 벽에서 이미 내려가는 중입니다.

6.포물선 운동

답: t = 4.563 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 40° = 21.45 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 40° = 18 m/s

체공 시간

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

0 = 20 + 18·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (18 + √(323.9 + 392.4))/9.81 = 4.563 s

답

t = 4.563 s
7.일과 에너지

답: T = 22.72 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) = 2·9.81·3·(1 − cos 70°) = 38.73 m²/s²

바닥에서의 힘

m·g = 1·9.81 = 9.81 N
T = mg + mv²/L = 9.81 + 1·38.73/3 = 22.72 N

답

T = 22.72 N

검산: T = mg(3 − 2cos θ) = 22.72 N.

8.일과 에너지

답: v = 5.425 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 = 4.905·(2.5 − 0.25·4) = 7.357 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.5) = 5.425 m/s

답

v = 5.425 m/s
9.운동량과 충돌

답: ΔK/K = 57.14 %

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) = 600·16/1400 = 6.857 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·600·16² = 76800 J
Kafter = ½·1400·6.857² = 32914 J

잃은 비율

ΔK/K = 43886/76800 = 57.14 %

답

ΔK/K = 57.14 %

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: v = 339.2 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 15°) = 0.06474 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.06474) = 1.127 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 1.505·1.127/0.005 = 339.2 m/s

답

v = 339.2 m/s
11.정수압

답: F = 294.3 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 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·3 = 6 m²
수문d = 4 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5·6 = 294.3 kN

답

F = 294.3 kN
12.정수압

답: F = 30.9 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 + 1/2 = 2.5 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
수문d = 2 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·2.5·1 = 30.9 kN

답

F = 30.9 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 103 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.

연속 방정식

v1 = v2·(125/250)² = 0.25·v2

입구와 목 사이의 베르누이 식

관이 수평이므로 압력과 유속만 변합니다.

p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·33000/(1000·(1 − 0.0625))) = 8.39 m/s
v1 = 2.098 m/s

유량

Q = A2·v2 = 0.01227·8.39 = 0.103 m³/s = 103 L/s

답

Q = 103 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 181 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 = 0.5·(75/50)² = 1.125 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.5² − 1.125²)/1000 = −0.5078 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·8/1000 = 78.48 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 260 + (−0.5078) − 78.48 = 181 kPa

답

p2 = 181 kPa
15.이상 기체 법칙

답: P = 18211 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 280/4.003 = 69.95 mol
T = 40 + 273.15 = 313.1 K

압력

P = nRT/V = 69.95·8.314·313.1/0.01 = 18211 kPa

답

P = 18211 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 3.215 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·(350/350)·(463.1/288.1) = 3.215 L

답

V2 = 3.215 L
17.열기관과 냉동기

답: Wmax = 742.7 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 = 225 + 273.15 = 498.1 K
TL = 40 + 273.15 = 313.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 313.1/498.1 = 37.14 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.3714·2000 = 742.7 kJ

답

Wmax = 742.7 kJ
18.열기관과 냉동기

답: Ẇmin = 1.044 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 = 22 + 273.15 = 295.1 K
TL = 0 + 273.15 = 273.1 K

가능한 최고 COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 295.1/(295.1 − 273.1) = 13.42

최소 동력

COP가 가장 큰 가역 기계가 가장 적은 일을 필요로 합니다.

Ẇmin = Q̇H/COP = 14/13.42 = 1.044 kW

답

Ẇmin = 1.044 kW
19.파동, 소리, 광학

답: f5 = 400 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 = 2·1.5/5 = 0.6 m

진동수

f = v/λ = 240/0.6 = 400 Hz

답

f5 = 400 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: NA = 0.5604

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 = 1.52/1.62 = 0.9383 → θc = 69.76°

개구수

NA = √(1.62² − 1.52²) = 0.5604

답

NA = 0.5604

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