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
a = ?s = 1300 m

비행기가 이륙하려면 280 km/h의 속력이 필요하고 쓸 수 있는 활주로 길이는 1300 m이다. 정지 상태에서 출발한다면 필요한 일정한 가속도 a은(는) 얼마인가?

v₀ = 0v = 280 km/hs = 1300 m
a = m/s²
2.운동학어려움
AB: 28 m/s25 m

공 A를 높이 25 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 28 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 25 mv0B = 28 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
상자v₀ = 4.5 m/sμ = ?

상자가 처음 속력 4.5 m/s로 평평한 바닥을 미끄러지다가 4.1 m 후에 멈춘다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 운동 마찰 계수 μ을(를) 구하시오.

v₀ = 4.5 m/sd = 4.1 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 1 kg4 kg마찰 없음

수평 탁자 위에 있는 질량 1 kg인 블록이 가벼운 줄로 마찰 없는 도르래를 거쳐 매달린 4 kg 물체와 연결되어 있다. 탁자에는 마찰이 없다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 줄의 장력 T을(를) 구하시오.

m1 = 1 kgm2 = 4 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.포물선 운동보통
v0​ = 32 m/s35°수평 도달 거리H = ?

공을 평지에서 수평에서 35° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 도달하는 최대 높이 H을(를) 구하시오.

v0 = 32 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
H = m
6.포물선 운동어려움
h = 45 mv0​ = 22 m/s50°수평 도달 거리

공을 높이 45 m인 절벽 위에서 수평에서 50° 위로 던진다. 공기 저항은 무시한다. 공이 땅에 닿을 때까지의 비행 시간 t을(를) 구하시오.

v0 = 22 m/sθ = 50°h = 45 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.일과 에너지보통
0.2 kgk = 500 N/mh = ?

장난감 발사기에 강성 500 N/m인 수직 스프링이 있다. 0.2 kg 공을 올려놓고 스프링을 5 cm 압축한 다음 놓는다. 공기 저항과 스프링의 질량을 무시하고, 스프링이 압축되었을 때의 위치에서 잰 공의 상승 높이 h을(를) 구하시오.

m = 0.2 kgk = 500 N/mx = 5 cmg = 9.81 m/s²
h = m
8.일과 에너지어려움
h = 2.5 mL = 2 mμ = 0.25k = 2000 N/m

질량 2 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 2.5 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 2 m인 거친 수평 구간(μ = 0.25)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 2000 N/m)에 부딪힌다. 스프링의 최대 압축량 x을(를) 구하시오.

m = 2 kgh = 2.5 mL = 2 mμ = 0.25k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.운동량과 충돌보통
4.5 kgv = ?12 gh = 14 cm

12 g 총알을 가벼운 줄에 매달린 4.5 kg 나무 블록에 수평으로 쏘아 박히게 한다. 블록은 처음보다 14 cm 높아질 때까지 흔들려 올라간다. g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 충돌 전 총알의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 12 gM = 4.5 kgh = 14 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.운동량과 충돌어려움
1400 kg11 m/s900 kg10 m/sv′ = ?

교차로에서 동쪽으로 11 m/s로 달리던 1400 kg 자동차가 북쪽으로 10 m/s로 달리던 900 kg 자동차와 충돌한다. 두 차는 한 덩어리가 된다. 충돌 직후 잔해의 속력 v′을(를) 구하시오.

m1 = 1400 kgv1 = 11 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 10 m/s (N)
v′ = m/s
11.정수압보통
수문d = 3 mH = 3 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 = 3 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 0.5 mH = 1.5 m

폭 3 m인 연직 직사각형 수문이 기름이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 0.5 m에 있다. 수문에 작용하는 정수압 합력 F을(를) 구하시오.

d = 0.5 mH = 1.5 mb = 3 mρ = 880 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 75 mm, p1​ = 230 kPad2​ = 50 mm, p2​ = ?

물이 75 mm에서 50 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 230 kPa, 유속은 2.75 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 75 mmd2 = 50 mmp1 = 230 kPav1 = 2.75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
pair​ = 100 kPav = ?d = 50 mmh = 1.5 m

밀폐된 물탱크의 수면 위에 계기 압력 100 kPa의 압축 공기가 있다. 물은 수면보다 1.5 m 아래에 있는 지름 50 mm의 구멍을 통해 대기 중으로 나간다. 손실을 무시하고 다음을 구하시오: 분류 속도 v. g = 9.81 m/s²를 쓴다.

pair = 100 kPa (게이지압)h = 1.5 md = 50 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.이상 기체 법칙보통
CH₄ 50 gV = 20 LT = 100 °CP = ?

부피 20 L인 탱크에 100 °C의 CH₄ 50 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 50 gM = 16.04 g/molV = 20 LT = 100 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
Ar, M = 39.95 g/molP = 550 kPaT = 20 °Cρ = ?

550 kPa, 20 °C에서 Ar의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 39.95 g/molP = 550 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 625 °CTL​ = ?EQH​ = 3500 kJQL​ = 1240 kJW

가역(카르노) 열기관이 사이클마다 625 °C의 열저장소에서 3500 kJ의 열을 받고 1240 kJ를 방출한다. 저온 열저장소의 온도 TL을(를) °C로 구하시오.

TH = 625 °CQH = 3500 kJQL = 1240 kJ
TL = °C
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 400 °CTL​ = 25 °CEQH​ = 2700 kJQL​ = 1647 kJW = 1053 kJ

열기관이 사이클마다 400 °C의 열저장소에서 2700 kJ의 열을 받아 1053 kJ의 일을 하고 나머지를 25 °C의 열저장소로 방출한다. 사이클당 총 엔트로피 생성량 Sgen을(를) 구하시오.

TH = 400 °CTL = 25 °CQH = 2700 kJW = 1053 kJ
Sgen = kJ/K
19.파동, 소리, 광학보통
Pβ = ?r = 2 m

작은 스피커가 모든 방향으로 똑같이 0.05 W의 음향 출력을 내보낸다. 2 m 떨어진 곳의 음의 세기 수준 β을(를) 구하시오.

P = 0.05 Wr = 2 mI0 = 10⁻¹² W/m²
β = dB
20.파동, 소리, 광학어려움
SO20 m/sf = 30 kHz

정지한 센서가 20 m/s로 다가오는 자동차를 향해 30 kHz의 초음파를 보내고, 반향을 송신 신호와 섞는다. 맥놀이 진동수 fb을(를) 구하시오(소리의 속력 343 m/s).

f = 30 kHzu = 20 m/sv = 343 m/s
fb = Hz

3용액

1.운동학

답: a = 2.327 m/s²

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

v = 280/3.6 = 77.78 m/s

가속도

a = v²/(2s) = 77.78²/(2·1300) = 2.327 m/s²

답

a = 2.327 m/s²
2.운동학

답: t = 0.8929 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.

만나는 시간

위쪽을 양으로 하고, 지면은 y = 0입니다.

25 − ½g·t² = 28·t − ½g·t² → t = 25/28 = 0.8929 s

답

t = 0.8929 s
3.뉴턴 법칙

답: μ = 0.2517

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) = 4.5²/(2·4.1) = 2.47 m/s²

마찰 계수

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.47/9.81 = 0.2517

답

μ = 0.2517
4.뉴턴 법칙

답: T = 7.848 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) = (39.24 − 0)/5 = 7.848 m/s²

탁자 위 블록에서 구한 장력

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1·7.848 + 0 = 7.848 N

답

T = 7.848 N
5.포물선 운동

답: H = 17.17 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 = 32·cos 35° = 26.21 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 35° = 18.35 m/s

최고점

최고점에서 연직 속도는 0입니다: vy² = 2gH.

H = vy²/(2g) = 18.35²/(2·9.81) = 17.17 m

답

H = 17.17 m
6.포물선 운동

답: t = 5.2 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 = 22·cos 50° = 14.14 m/s
vy = v0·sin θ = 22·sin 50° = 16.85 m/s

체공 시간

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

0 = 45 + 16.85·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16.85 + √(284 + 882.9))/9.81 = 5.2 s

답

t = 5.2 s
7.일과 에너지

답: h = 0.3186 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 = 5 cm = 0.05 m
½kx² = ½·500·0.05² = 0.625 J

높이

m·g = 0.2·9.81 = 1.962 N
h = ½kx²/(mg) = 0.625/1.962 = 0.3186 m

답

h = 0.3186 m
8.일과 에너지

답: x = 19.81 cm

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 = 19.62·(2.5 − 0.25·2) = 39.24 J

최대 압축량

½kx² = 39.24 → x = √(2·39.24/2000) = 0.1981 m = 19.81 cm

답

x = 19.81 cm
9.운동량과 충돌

답: v = 623.2 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.

충돌 후의 흔들림

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.14) = 1.657 m/s

충돌

m·v = (m + M)·V → v = (0.012 + 4.5)·1.657/0.012 = 623.2 m/s

답

v = 623.2 m/s
10.운동량과 충돌

답: v′ = 7.755 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.

운동량 성분

px = 1400·11 = 15400 kg·m/s
py = 900·10 = 9000 kg·m/s

잔해의 속력

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 17837/2300 = 7.755 m/s

답

v′ = 7.755 m/s
11.정수압

답: F = 397.3 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 + 3/2 = 4.5 m
A = H·b = 3·3 = 9 m²
수문d = 3 mH = 3 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4.5·9 = 397.3 kN

답

F = 397.3 kN
12.정수압

답: F = 48.56 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 = 0.5 + 1.5/2 = 1.25 m
A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²
수문d = 0.5 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 880·9.81·1.25·4.5 = 48.56 kN

답

F = 48.56 kN
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 214.6 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·(75/50)² = 6.188 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(2.75² − 6.188²)/1000 = −15.36 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 230 + (−15.36) = 214.6 kPa

답

p2 = 214.6 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: v = 15.15 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.

수면에서 분류까지의 베르누이 식

v = √(2·(100000/1000 + 9.81·1.5)) = 15.15 m/s

답

v = 15.15 m/s
15.이상 기체 법칙

답: P = 483.5 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 50/16.04 = 3.117 mol
T = 100 + 273.15 = 373.1 K

압력

P = nRT/V = 3.117·8.314·373.1/0.02 = 483.5 kPa

답

P = 483.5 kPa
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 9.015 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273.15 = 293.1 K

밀도

ρ = 550·39.95/(8.314·293.1) = 9.015 kg/m³

답

ρ = 9.015 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: TL = 45.05 °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 = 625 + 273.15 = 898.1 K

가역 사이클의 열 비

TL = TH·QL/QH = 898.1·1240/3500 = 318.2 K = 45.05 °C

답

TL = 45.05 °C
18.열기관과 냉동기

답: Sgen = 1.513 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 = 2700 − 1053 = 1647 kJ

절대 온도

TH = 400 + 273.15 = 673.1 K
TL = 25 + 273.15 = 298.1 K

열저장소의 엔트로피 변화

ΔSH = −2700/673.1 = −4.011 kJ/K
ΔSL = 1647/298.1 = 5.524 kJ/K
Sgen = 5.524 − 4.011 = 1.513 kJ/K

답

Sgen = 1.513 kJ/K

Sgen > 0이므로 이 기관은 가능하지만 비가역입니다.

19.파동, 소리, 광학

답: β = 89.98 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) = 0.0009947 W/m²

난이도

β = 10·log₁₀(0.0009947/10⁻¹²) = 89.98 dB

답

β = 89.98 dB
20.파동, 소리, 광학

답: fb = 3715 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′ = 30000·(343 + 20)/343 = 31749 Hz

반향의 진동수

f″ = f′·343/(343 − 20) = 33715 Hz

맥놀이 진동수

fb = |f″ − f| = 3715 Hz

답

fb = 3715 Hz

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