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)6.944 s27.78

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

v₀ = 100 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 7 m/s35 m

지면에서 35 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 7 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 쓴다. 지면으로부터의 최고 높이 hmax을(를) 구하시오.

v₀ = 7 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.뉴턴 법칙보통
θ = 25°a = ?m = 8 kg

질량 8 kg인 블록이 수평과 25°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 8 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1.5 kg3.5 kgθ = 40°

40° 경사로 위의 1.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 3.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 경사로에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 1.5 kgm2 = 3.5 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = 30 m/s25°x = ?

공을 평지에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿기 전까지 이동한 수평 거리 x을(를) 구하시오.

v0 = 30 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
x = m
6.포물선 운동어려움
h = 20 mv0​ = 29 m/s45°α = ?

20 m 절벽 꼭대기에서 공을 29 m/s, 수평 위 45°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 공은 수평 아래 몇 도 α의 각으로 지면에 닿는가?

v₀ = 29 m/sθ = 45°h = 20 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.일과 에너지보통
36 km/h2°1000 kg

1000 kg 자동차가 2° 경사로를 일정한 36 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 650 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 1000 kgθ = 2°Fr = 650 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
8.일과 에너지어려움
k = 1000 N/m30°μ = 0.153 kg

30° 경사면 아래에 있는 강성 1000 N/m인 스프링을 3 kg 블록으로 15 cm 압축했다가 놓는다. 블록과 경사면 사이의 운동 마찰 계수는 0.15이다. 블록은 놓은 점에서 경사면을 따라 얼마나 멀리 d 올라간 뒤 멈추는가? (스프링이 미는 짧은 거리는 무시하고, 마찰과 중력은 전체 거리 d에 걸쳐 작용한다고 하시오.)

m = 3 kgk = 1000 N/mx = 15 cmθ = 30°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
9.운동량과 충돌보통
4 kg6 m/s3 kg

6 m/s로 움직이는 질량 4 kg인 글라이더가 마찰 없는 트랙 위에 정지해 있는 질량 3 kg인 글라이더와 완전 탄성 정면충돌을 한다. 충돌 후 두 번째 글라이더의 속도 v′2을(를) 구하시오.

m1 = 4 kgm2 = 3 kgv1 = 6 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
10.운동량과 충돌어려움
3.5 kgv = ?20 g30°L = 0.7 m

20 g 총알을 길이 0.7 m의 가벼운 줄에 매달린 3.5 kg 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 줄은 연직에서 최대 30°까지 흔들려 나간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 20 gM = 3.5 kgL = 0.7 mθ = 30°g = 9.81 m/s²
v = m/s
11.정수압보통
수문d = 3 mH = 1 m

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

폭 1.5 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 = 2.5 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
Q = ?d = 50 mm, Cd​ = 0.65h = 4.5 m

큰 열린 탱크의 물이 지름 50 mm의 예연 오리피스로 빠져나간다. 수위는 오리피스보다 4.5 m 위로 유지되고 유량 계수는 0.65이다. 유량 Q을(를) 구하시오. g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d = 50 mmh = 4.5 mCd = 0.65g = 9.81 m/s²
Q = L/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
d1​ = 100 mmd2​ = 50 mm12Δh = 300 mm수은Q = ?

수평 벤투리미터(입구 100 mm, 목 50 mm)에 물이 흐른다. 입구와 목 사이에 연결된 수은 U자관 마노미터의 액면 차는 300 mm이다. 유량 계수는 0.97이다. 유량 Q을(를) 구하시오. 물은 ρ = 1000 kg/m³, 수은은 13 600 kg/m³, g = 9.81 m/s²를 사용하시오.

d1 = 100 mmd2 = 50 mmΔh = 300 mmCd = 0.97ρHg = 13 600 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
O₂ 200 gV = 20 LT = 10 °CP = ?

부피 20 L인 탱크에 10 °C의 O₂ 200 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 200 gM = 32 g/molV = 20 LT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
상태 1상태 2

일정량의 CO₂이(가) 300 kPa, 10 L, 25 °C에서 450 kPa, 70 °C(으)로 변한다. 새 부피 V2을(를) 구하시오.

P1 = 300 kPaV1 = 10 LT1 = 25 °CP2 = 450 kPaT2 = 70 °C
V2 = L
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 425 °CTL​ = 35 °CEQH​ = 4300 kJQL​W = ?

열기관이 425 °C의 고온 열원과 35 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 4300 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 425 °CTL = 35 °CQH = 4300 kJ
Wmax = kJ
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 45 °CTL​ = -5 °CHPQ̇H​ = 12.5 kWQ̇L​Ẇ = ?

열펌프가 -5 °C의 열원에서 열을 흡수해 45 °C의 난방 시스템에 12.5 kW의 열을 공급한다. 실제 COP는 이 두 온도 사이의 카르노 COP의 45%이다. 소비하는 전력 Ẇ을(를) 구하시오.

TH = 45 °CTL = -5 °CηII = 45%Q̇H = 12.5 kW
Ẇ = kW
19.파동, 소리, 광학보통
SO5 m/sf = 600 Hz

관측자가 600 Hz의 정지한 음원을 향해 5 m/s로 움직인다. 소리의 속력은 343 m/s이다. 관측자가 듣는 진동수 f′을(를) 구하시오.

f = 600 Hzv = 343 m/svo = 5 m/s
f′ = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 486 nmθ2​ = ?

파장 486 nm의 빛이 1 mm당 100개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 2차 극대의 각 θ2을(를) 구하시오.

N = 100 mm⁻¹λ = 486 nmm = 2
θ2 = °

3용액

1.운동학

답: s = 96.45 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·4) = 96.45 m

답

s = 96.45 m
2.운동학

답: hmax = 37.5 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 = 7²/(2·9.81) = 2.497 m

지면으로부터의 높이

hmax = 35 + 2.497 = 37.5 m

답

hmax = 37.5 m
3.뉴턴 법칙

답: a = 1.923 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.

경사면 방향의 힘

경사면 아래쪽이 양입니다.

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

가속도

a = 9.81·(sin 25° − 0.25·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2266) = 1.923 m/s²

답

a = 1.923 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 4.975 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 = 34.34 N
m₁·g·sin θ = 9.459 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

계의 가속도

a = (34.34 − 9.459 − 0)/5 = 4.975 m/s²

답

a = 4.975 m/s²
5.포물선 운동

답: x = 70.28 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 = 30·cos 25° = 27.19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 25° = 12.68 m/s

체공 시간

출발점과 착지점이 같은 높이: t = 2vy/g.

t = 2·12.68/9.81 = 2.585 s

수평 거리

x = vx·t = 27.19·2.585 = 70.28 m

답

x = 70.28 m
6.포물선 운동

답: α = 54.28 °

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.

초기 속도 분해

vx = 29·cos 45° = 20.51 m/s
vy0 = 29·sin 45° = 20.51 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(20.51² + 2·9.81·20) = 28.51 m/s

충돌 각

tan α = vy/vx = 28.51/20.51 → α = 54.28°

답

α = 54.28°
7.일과 에너지

답: P = 9.924 kW

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). 동력은 힘 × 속력입니다: P = F·v.

구동력

m·g = 1000·9.81 = 9810 N
mg·sin θ = 9810·sin 2° = 342.4 N
F = 342.4 + 650 = 992.4 N

전력

v = 36/3.6 = 10 m/s
P = F·v = 992.4·10 = 9924 W = 9.924 kW

답

P = 9.924 kW
8.일과 에너지

답: d = 0.6069 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 = 15 cm = 0.15 m
½kx² = ½·1000·0.15² = 11.25 J

경사면을 따른 에너지 수지

m·g = 3·9.81 = 29.43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 11.25/(29.43·(0.5 + 0.15·0.866)) = 0.6069 m

답

d = 0.6069 m
9.운동량과 충돌

답: v′2 = 6.857 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 = (4 − 3)/(4 + 3)·6 = 0.8571 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 3)·6 = 6.857 m/s

답

v′2 = 6.857 m/s
10.운동량과 충돌

답: v = 238.7 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) = 0.7·(1 − cos 30°) = 0.09378 m

충돌 후의 속력

V = √(2·9.81·0.09378) = 1.356 m/s

충돌

v = (m + M)·V/m = 3.52·1.356/0.02 = 238.7 m/s

답

v = 238.7 m/s
11.정수압

답: F = 103 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 + 1/2 = 3.5 m
A = H·b = 1·3 = 3 m²
수문d = 3 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.5·3 = 103 kN

답

F = 103 kN
12.정수압

답: F = 156.3 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 = 3 + 2.5/2 = 4.25 m
A = H·b = 2.5·1.5 = 3.75 m²
수문d = 3 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4.25·3.75 = 156.3 kN

답

F = 156.3 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 11.99 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) = √(2·9.81·4.5) = 9.396 m/s

실제 유량

유량 계수는 분류의 수축과 가장자리의 마찰을 반영합니다.

Q = Cd·A·√(2gh) = 0.65·0.001963·9.396 = 0.01199 m³/s = 11.99 L/s

답

Q = 11.99 L/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 16.94 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.

마노미터에서 구한 압력 차

Δp = (13600 − 1000)·9.81·0.3 = 37082 Pa

목의 유속

연속 방정식과 베르누이 식을 함께 쓰면 이상적인 목의 유속이 나옵니다.

β = 50/100 = 0.5
v2 = √(2·37082/(1000·(1 − 0.0625))) = 8.894 m/s

실제 유량

Q = Cd·A2·v2 = 0.97·0.001963·8.894 = 0.01694 m³/s = 16.94 L/s

답

Q = 16.94 L/s
15.이상 기체 법칙

답: P = 735.7 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 200/32 = 6.25 mol
T = 10 + 273.15 = 283.1 K

압력

P = nRT/V = 6.25·8.314·283.1/0.02 = 735.7 kPa

답

P = 735.7 kPa
16.이상 기체 법칙

답: V2 = 7.673 L

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

절대 온도

T1 = 298.1 K, T2 = 343.1 K

보일-샤를 법칙

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 10·(300/450)·(343.1/298.1) = 7.673 L

답

V2 = 7.673 L
17.열기관과 냉동기

답: Wmax = 2402 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 = 425 + 273.15 = 698.1 K
TL = 35 + 273.15 = 308.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 308.1/698.1 = 55.86 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.5586·4300 = 2402 kJ

답

Wmax = 2402 kJ
18.열기관과 냉동기

답: Ẇ = 4.366 kW

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 = 45 + 273.15 = 318.1 K
TL = -5 + 273.15 = 268.1 K

카르노 COP와 실제 COP

COPmax = 318.1/(318.1 − 268.1) = 6.363
COP = 0.45·6.363 = 2.863

입력 동력

Ẇ = Q̇H/COP = 12.5/2.863 = 4.366 kW

답

Ẇ = 4.366 kW
19.파동, 소리, 광학

답: f′ = 608.7 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.

도플러 공식

f′ = f·(v + vo)/(v − vs) = 600·(343 + 5)/(343 − 0)
f′ = 608.7 Hz

답

f′ = 608.7 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: θ2 = 5.578 °

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 = 1/100 mm = 1 × 10⁻⁵ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 2·486 × 10⁻⁹/(1 × 10⁻⁵) = 0.0972
θ = 5.578°

답

θ2 = 5.578°

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