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)4.545 s25

90 km/h로 달리던 자동차가 5.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 90 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
v₀ = 20 m/s25 m

지면에서 25 m 높이에 있는 지붕 가장자리에서 공을 20 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 = 20 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
9.5 kg3.5 kg

9.5 kg과 3.5 kg인 질량이 가볍고 마찰 없는 도르래 양쪽에 가벼운 줄로 연결되어 매달려 있다. 계를 정지 상태에서 놓는다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 질량들의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 9.5 kgm2 = 3.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 9.5 kg8 kgθ = 35°

35° 경사로 위의 9.5 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 8 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 경사로에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 9.5 kgm2 = 8 kgθ = 35°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 22 m/s25°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 25° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 22 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 33 m/s15°수평 도달 거리

공을 높이 25 m인 절벽 위에서 수평에서 15° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 33 m/sθ = 15°h = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
20°d = 18 mμ = 0.1

블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 정지 상태에서 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. 경사면을 따라 18 m 미끄러진 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

θ = 20°μ = 0.1d = 18 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
8.일과 에너지어려움
F = 85 N25°μ = 0.258 kg

8 kg 블록이 25° 경사면의 아래에서 정지 상태로 출발해, 경사면에 평행한 일정한 힘 85 N에 의해 위로 끌려 올라간다. 운동 마찰 계수는 0.25이다. 블록이 경사면을 따라 6 m 올라간 뒤의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 8 kgF = 85 Nθ = 25°μ = 0.25d = 6 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
5 kgv = ?12 gh = 10 cm

12 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 10 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 12 gM = 5 kgh = 10 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.운동량과 충돌어려움
16 m/s16 m/s

질량 0.55 kg인 공이 16 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 16 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 50 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.55 kgvin = 16 m/svout = 16 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
11.정수압보통
수문d = 1 mH = 1 m

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

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

폭 2 m인 연직 직사각형 수문이 바닷물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 3 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 3 mH = 2 mb = 2 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
v = ?p0​pp0​ − p = 600 Pa정체점

풍동의 피토 정압관이 정체압과 정압의 차이를 600 Pa로 나타낸다. 공기 밀도는 1.2 kg/m³이다. 풍속 v을(를) 구하시오.

p0 − p = 600 Paρ = 1.2 kg/m³
v = m/s
14.연속 방정식과 베르누이어려움
12d1​ = 75 mm, p1​ = 120 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?Δz = 6 m

물이 75 mm에서 40 mm(으)로 좁아지며 6 m 올라가는 관을 따라 위로 흐른다. 단면 1의 압력은 120 kPa, 유속은 2.5 m/s이다. 손실을 무시하고 단면 2의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 120 kPav1 = 2.5 m/sΔz = 6 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
15.이상 기체 법칙보통
CO₂ 210 gP = 150 kPaT = 55 °CV = ?

150 kPa, 55 °C에서 CO₂ 210 g이(가) 차지하는 부피 V은(는) 얼마인가? 이상 기체로 본다.

m = 210 gM = 44.01 g/molP = 150 kPaT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.이상 기체 법칙어려움
He, M = 4.003 g/molP = 850 kPaT = 180 °Cρ = ?

850 kPa, 180 °C에서 He의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 4.003 g/molP = 850 kPaT = 180 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 700 °CTL​ = ?EQH​ = 1600 kJQL​ = 490 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 700 °C의 열저장소에서 1600 kJ의 열을 받고 490 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 700 °CQH = 1600 kJQL = 490 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 800 °CTL​ = 20 °CEQH​ = 3500 kJQL​ = 2240 kJW = 1260 kJ

열기관이 사이클마다 800 °C의 열저장소에서 3500 kJ의 열을 받아 1260 kJ의 일을 하고 나머지를 20 °C의 열저장소로 방출한다. 사이클당 총 엔트로피 생성량 Sgen을(를) 구하시오.

TH = 800 °CTL = 20 °CQH = 3500 kJW = 1260 kJ
Sgen = kJ/K
19.파동, 소리, 광학보통
Pβ = ?r = 2 m

작은 스피커가 모든 방향으로 똑같이 0.2 W의 음향 출력을 내보낸다. 2 m 떨어진 곳의 음의 세기 수준 β을(를) 구하시오.

P = 0.2 Wr = 2 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 500 nmd = 0.5 mmL = 2 m

파장 500 nm의 빛이 0.5 mm 떨어진 두 슬릿에 입사한다. 스크린은 2 m 떨어져 있다. 이웃한 밝은 무늬 사이의 간격 Δy을(를) 구하시오.

λ = 500 nmd = 0.5 mmL = 2 m
Δy = mm

3용액

1.운동학

답: s = 56.82 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 = 90/3.6 = 25 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·5.5) = 56.82 m

답

s = 56.82 m
2.운동학

답: t = 5.081 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.

−25 = 20·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 20·t − 25 = 0

이차방정식 풀기

물리적으로 의미 있는 것은 양의 근뿐입니다.

t = (20 + √(20² + 2·9.81·25))/9.81 = 5.081 s

답

t = 5.081 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 4.528 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.

가속도

알짜 구동력은 무게의 차이이며, 전체 질량을 움직입니다.

a = (9.5 − 3.5)·9.81/(9.5 + 3.5) = 4.528 m/s²

답

a = 4.528 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: T = 67.04 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.

줄 방향의 힘

m₂·g = 78.48 N
m₁·g·sin θ = 53.45 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

계의 가속도

a = (78.48 − 53.45 − 0)/17.5 = 1.43 m/s²

매달린 질량에서 구한 장력

m2·g − T = m2·a → T = 8·(9.81 − 1.43) = 67.04 N

답

T = 67.04 N
5.포물선 운동

답: H = 4.406 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 = 22·cos 25° = 19.94 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 25° = 9.298 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 9.298²/(2·9.81) = 4.406 m

답

H = 4.406 m
6.포물선 운동

답: t = 3.29 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 15° = 31.88 m/s
vy = v0·sin θ = 33·sin 15° = 8.541 m/s

체공 시간

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

0 = 25 + 8.541·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.541 + √(72.95 + 490.5))/9.81 = 3.29 s

답

t = 3.29 s
7.일과 에너지

답: v = 9.36 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 = √(2·9.81·18·(0.342 − 0.1·0.9397)) = 9.36 m/s

답

v = 9.36 m/s
8.일과 에너지

답: v = 7.147 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).

경사면 방향의 힘

m·g = 8·9.81 = 78.48 N
mg·sin θ = 33.17 N
μ·mg·cos θ = 17.78 N

일–에너지

½mv² = (85 − 50.95)·6 = 204.3 J
v = √(2·204.3/8) = 7.147 m/s

답

v = 7.147 m/s
9.운동량과 충돌

답: v = 585 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 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.1) = 1.401 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.012 + 5)·1.401/0.012 = 585 m/s

답

v = 585 m/s
10.운동량과 충돌

답: J = 17.6 N·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.

운동량 변화

J = m·Δv = 0.55·(16 + 16) = 17.6 N·s

답

J = 17.6 N·s
11.정수압

답: F = 29.43 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 = 1 + 1/2 = 1.5 m
A = H·b = 1·2 = 2 m²
수문d = 1 mH = 1 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·1.5·2 = 29.43 kN

답

F = 29.43 kN
12.정수압

답: F = 160.9 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 = 3 + 2/2 = 4 m
A = H·b = 2·2 = 4 m²
수문d = 3 mH = 2 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·4·4 = 160.9 kN

답

F = 160.9 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: v = 31.62 m/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.

정체점까지의 베르누이 식

유동이 끝부분에서 정지하므로 운동 에너지가 추가 압력으로 나타납니다.

p0 − p = ½ρv²
v = √(2·600/1.2) = 31.62 m/s

답

v = 31.62 m/s
14.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 25.64 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 = 2.5·(75/40)² = 8.789 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.5² − 8.789²)/1000 = −35.5 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·6/1000 = 58.86 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 120 + (−35.5) − 58.86 = 25.64 kPa

답

p2 = 25.64 kPa
15.이상 기체 법칙

답: V = 86.79 L

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = 210/44.01 = 4.772 mol
T = 55 + 273.15 = 328.1 K

부피

V = nRT/P = 4.772·8.314·328.1/150 = 86.79 L

답

V = 86.79 L
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 0.9031 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 180 + 273.15 = 453.1 K

밀도

ρ = 850·4.003/(8.314·453.1) = 0.9031 kg/m³

답

ρ = 0.9031 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: TL = 24.88 °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.

열원의 절대 온도

TH = 700 + 273.15 = 973.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 973.1·490/1600 = 298 K = 24.88 °C

답

TL = 24.88 °C
18.열기관과 냉동기

답: Sgen = 4.38 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 = 3500 − 1260 = 2240 kJ

절대 온도

TH = 800 + 273.15 = 1073 K
TL = 20 + 273.15 = 293.1 K

열저장소의 엔트로피 변화

ΔSH = −3500/1073 = −3.261 kJ/K
ΔSL = 2240/293.1 = 7.641 kJ/K
Sgen = 7.641 − 3.261 = 4.38 kJ/K

답

Sgen = 4.38 kJ/K

Sgen > 0이므로 이 기관은 가능하지만 비가역입니다.

19.파동, 소리, 광학

답: β = 96 dB

파동: 주기적인 파동은 한 주기에 한 파장을 이동하므로 v = fλ이고 T = 1/f입니다. 팽팽한 줄에서는 v = √(T/μ)이며, T는 장력, μ = m/L은 1미터당 질량입니다. 공기 중의 소리는 20 °C에서 약 343 m/s로, 진공 중의 빛은 c = 3.00 × 10⁸ m/s로 진행합니다. 소리의 크기는 로그 눈금으로 측정합니다: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB, I₀ = 10⁻¹² W/m²이므로 세기가 10배가 되면 10 dB가 늘어납니다. 점음원은 일률 P를 구면 위로 퍼뜨립니다: I = P/(4πr²).

세기

I = P/(4πr²) = 0.003979 W/m²

난이도

β = 10·log₁₀(0.003979/10⁻¹²) = 96 dB

답

β = 96 dB
20.파동, 소리, 광학

답: Δy = 2 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 = 500 × 10⁻⁹·2/(0.5 × 10⁻³) = 2 mm

답

Δy = 2 mm

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