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)5.128 s33.33

120 km/h로 달리던 자동차가 6.5 m/s²의 일정한 감속도로 제동하여 멈춘다. 제동 거리 s을(를) 구하시오.

v₀ = 120 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.운동학어려움
AB: 19 m/s45 m

공 A를 높이 45 m에서 가만히 떨어뜨린다. 같은 순간 바로 아래 지면에서 공 B를 19 m/s로 똑바로 위로 던진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 두 공은 언제 만나는가? t을(를) 구하시오.

H = 45 mv0B = 19 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.뉴턴 법칙보통
θ = 20°a = ?m = 6 kg

질량 6 kg인 블록이 수평과 20°를 이루는 경사면을 미끄러져 내려간다. 운동 마찰 계수는 0.1이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 경사면을 따르는 블록의 가속도 a을(를) 구하시오.

m = 6 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.뉴턴 법칙어려움
m1​ = 7 kg9.5 kgθ = 30°

30° 경사로 위의 7 kg 블록이 경사로 꼭대기의 마찰 없는 도르래를 지나는 가벼운 줄로 매달린 9.5 kg 질량과 연결되어 있다. 매달린 질량은 아래로 움직인다. 블록과 경사로 사이의 운동 마찰 계수는 0.15이다. g = 9.81 m/s²를 쓴다. 계의 가속도 a을(를) 구하시오.

m1 = 7 kgm2 = 9.5 kgθ = 30°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.포물선 운동보통
v0​ = ?35°R = 140 m

평지에서 공을 수평 위 35°로 발사하자 140 m 떨어진 곳에 떨어진다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 발사 속력 v0을(를) 구하시오.

θ = 35°R = 140 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.포물선 운동어려움
h = 25 mv0​ = 20 m/s55°v = ?

25 m 절벽 꼭대기에서 공을 20 m/s, 수평 위 55°로 발사한다. 공기 저항은 무시하고 g = 9.81 m/s²를 사용하시오. 지면에 닿는 속력 v을(를) 구하시오.

v₀ = 20 m/sθ = 55°h = 25 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.일과 에너지보통
90 km/h5°1200 kg

1200 kg 자동차가 5° 경사로를 일정한 90 km/h로 올라간다. 공기 저항과 구름 저항을 합하면 300 N이다. 바퀴가 내야 하는 동력 P을(를) kW 단위로 구하시오.

m = 1200 kgθ = 5°Fr = 300 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
8.일과 에너지어려움
h = 3 mL = 3 mμ = 0.3k = 4000 N/m

질량 2.5 kg인 블록을 매끄러운 경사로의 높이 3 m에서 가만히 놓는다. 아래에서 길이 3 m인 거친 수평 구간(μ = 0.3)을 지난 뒤, 매끄러운 면에서 스프링(k = 4000 N/m)에 부딪힌다. 블록이 스프링에 닿을 때의 속력 v을(를) 구하시오.

m = 2.5 kgh = 3 mL = 3 mμ = 0.3k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
9.운동량과 충돌보통
1800 kg15 m/s700 kg

15 m/s로 움직이는 1800 kg 자동차가 정지해 있는 700 kg 자동차와 충돌해 두 차가 한 덩어리가 된다. 충돌에서 잃은 운동 에너지 ΔK은(는) 얼마인가?

m1 = 1800 kgv1 = 15 m/sm2 = 700 kgv2 = 0
ΔK = J
10.운동량과 충돌어려움
14 m/s19 m/s

질량 0.45 kg인 공이 14 m/s로 벽에 부딪힌 뒤 19 m/s로 똑바로 튀어나온다. 접촉 시간은 40 ms이다. 벽이 공에 가한 충격량의 크기 J을(를) 구하시오.

m = 0.45 kgvin = 14 m/svout = 19 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
11.정수압보통
수문d = 1 mH = 1.5 m

폭 1 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 = 1.5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.정수압어려움
수문d = 4 mH = 2.5 m

폭 1 m인 연직 직사각형 수문이 물이(가) 담긴 탱크 벽에 있고, 위쪽 가장자리는 수면 아래 4 m에 있다. 수면 아래 압력 중심의 깊이 ycp을(를) 구하시오.

d = 4 mH = 2.5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
13.연속 방정식과 베르누이보통
12d1​ = 200 mm, p1​ = 110 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

물이 200 mm에서 75 mm(으)로 좁아지는 수평관을 흐른다. 넓은 부분의 압력은 110 kPa, 유속은 0.75 m/s이다. 손실을 무시하고 좁은 부분의 압력 p2을(를) 구하시오.

d1 = 200 mmd2 = 75 mmp1 = 110 kPav1 = 0.75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
14.연속 방정식과 베르누이어려움
C212 m3 md = 25 mmQ = ?

안지름 25 mm의 호스로 열린 탱크의 물을 사이펀으로 빼낸다. 호스의 가장 높은 점 C는 수면보다 2 m 위에 있고, (대기에 열린) 출구는 수면보다 3 m 아래에 있다. 손실을 무시하고 g = 9.81 m/s²로 하시오. 유량 Q을(를) 구하시오.

d = 25 mmzC = +2 mz2 = −3 mg = 9.81 m/s²
Q = L/s
15.이상 기체 법칙보통
He 420 gV = 30 LT = 50 °CP = ?

부피 30 L인 탱크에 50 °C의 He 420 g이(가) 들어 있다. 이상 기체로 보고 압력 P을(를) 구하시오.

m = 420 gM = 4.003 g/molV = 30 LT = 50 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
16.이상 기체 법칙어려움
Ar, M = 39.95 g/molP = 200 kPaT = 30 °Cρ = ?

200 kPa, 30 °C에서 Ar의 밀도 ρ을(를) 이상 기체로 보고 구하시오.

M = 39.95 g/molP = 200 kPaT = 30 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.열기관과 냉동기보통
TH​ = 500 °CTL​ = 5 °CEQH​ = 4300 kJQL​W = ?

열기관이 500 °C의 고온 열원과 5 °C의 저온 열원 사이에서 작동한다. 이 기관은 4300 kJ의 열을 받는다. 얻을 수 있는 최대 일 Wmax을(를) 구하시오.

TH = 500 °CTL = 5 °CQH = 4300 kJ
Wmax = kJ
18.열기관과 냉동기어려움
TH​ = 500 °CTL​ = 20 °CEQH​ = 1800 kJQL​ = 1242 kJW = 558 kJ

열기관이 사이클마다 500 °C의 열저장소에서 1800 kJ의 열을 받아 558 kJ의 일을 하고 나머지를 20 °C의 열저장소로 방출한다. 사이클당 총 엔트로피 생성량 Sgen을(를) 구하시오.

TH = 500 °CTL = 20 °CQH = 1800 kJW = 558 kJ
Sgen = kJ/K
19.파동, 소리, 광학보통
L = 1 mn = 5

양 끝이 고정된 줄의 길이는 1 m이고 그 위로 파동이 120 m/s로 진행한다. 5번째 배진동의 진동수 f5을(를) 구하시오.

v = 120 m/sn = 5L = 1 m
f5 = Hz
20.파동, 소리, 광학어려움
λ = 450 nmθ1​ = ?

파장 450 nm의 빛이 1 mm당 400개의 선이 있는 격자에 수직으로 입사한다. 1차 극대의 각 θ1을(를) 구하시오.

N = 400 mm⁻¹λ = 450 nmm = 1
θ1 = °

3용액

1.운동학

답: s = 85.47 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

제동 거리

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·6.5) = 85.47 m

답

s = 85.47 m
2.운동학

답: t = 2.368 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.

45 − ½g·t² = 19·t − ½g·t² → t = 45/19 = 2.368 s

답

t = 2.368 s
3.뉴턴 법칙

답: a = 2.433 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 20° − 0.1·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.09397) = 2.433 m/s²

답

a = 2.433 m/s²
4.뉴턴 법칙

답: a = 3.027 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 = 93.2 N
m₁·g·sin θ = 34.33 N
μ·m₁·g·cos θ = 8.92 N

계의 가속도

a = (93.2 − 34.33 − 8.92)/16.5 = 3.027 m/s²

답

a = 3.027 m/s²
5.포물선 운동

답: v0 = 38.23 m/s

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.

수평 도달 거리 공식을 v₀에 대해 풀기

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·140/sin 70°) = 38.23 m/s

답

v0 = 38.23 m/s
6.포물선 운동

답: v = 29.84 m/s

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 = 20·cos 55° = 11.47 m/s
vy0 = 20·sin 55° = 16.38 m/s

충돌 시 수직 속력

에너지 또는 수직 방향의 v² = v₀² + 2as.

vy = √(16.38² + 2·9.81·25) = 27.55 m/s

충돌 속력

v = √(11.47² + 27.55²) = 29.84 m/s

답

v = 29.84 m/s

에너지로 검산: v² = v₀² + 2gh.

7.일과 에너지

답: P = 33.15 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 = 1200·9.81 = 11772 N
mg·sin θ = 11772·sin 5° = 1026 N
F = 1026 + 300 = 1326 N

전력

v = 90/3.6 = 25 m/s
P = F·v = 1326·25 = 33150 W = 33.15 kW

답

P = 33.15 kW
8.일과 에너지

답: v = 6.419 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 = 24.53·(3 − 0.3·3) = 51.5 J

스프링에서의 속력

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·2.1) = 6.419 m/s

답

v = 6.419 m/s
9.운동량과 충돌

답: ΔK = 56700 J

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) = 1800·15/2500 = 10.8 m/s

충돌 전후의 운동 에너지

Kbefore = ½·1800·15² = 202500 J
Kafter = ½·2500·10.8² = 145800 J

잃은 에너지

ΔK = 202500 − 145800 = 56700 J

답

ΔK = 56700 J

잃은 에너지는 변형, 열, 소리로 갑니다.

10.운동량과 충돌

답: J = 14.85 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 = 0.45·(19 + 14) = 14.85 N·s

답

J = 14.85 N·s
11.정수압

답: F = 25.75 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 + 1.5/2 = 1.75 m
A = H·b = 1.5·1 = 1.5 m²
수문d = 1 mH = 1.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·1.75·1.5 = 25.75 kN

답

F = 25.75 kN
12.정수압

답: ycp = 5.349 m

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 + 2.5/2 = 5.25 m
A = H·b = 2.5·1 = 2.5 m²
수문d = 4 mH = 2.5 mF

합력

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·5.25·2.5 = 128.8 kN

압력 중심

압력은 깊이에 따라 커지므로 합력은 도심 아래에 작용합니다.

Ic = b·H³/12 = 1·2.5³/12 = 1.302 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 5.25 + 1.302/(5.25·2.5) = 5.349 m

답

ycp = 5.349 m
13.연속 방정식과 베르누이

답: p2 = 96.06 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 = 0.75·(200/75)² = 5.333 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.75² − 5.333²)/1000 = −13.94 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 110 + (−13.94) = 96.06 kPa

답

p2 = 96.06 kPa
14.연속 방정식과 베르누이

답: Q = 3.766 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.

호스 안의 유속

수면과 출구는 모두 대기에 열려 있으므로 압력 항이 상쇄됩니다.

v = √(2g·3) = √(2·9.81·3) = 7.672 m/s

유량

Q = A·v = 0.0004909·7.672 = 0.003766 m³/s = 3.766 L/s

답

Q = 3.766 L/s
15.이상 기체 법칙

답: P = 9396 kPa

이상 기체 법칙: PV = nRT, n = m/M.

몰수

n = m/M = 420/4.003 = 104.9 mol
T = 50 + 273.15 = 323.1 K

압력

P = nRT/V = 104.9·8.314·323.1/0.03 = 9396 kPa

답

P = 9396 kPa
16.이상 기체 법칙

답: ρ = 3.17 kg/m³

이상 기체의 밀도: ρ = PM/(RT).

기체 법칙 정리

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 30 + 273.15 = 303.1 K

밀도

ρ = 200·39.95/(8.314·303.1) = 3.17 kg/m³

답

ρ = 3.17 kg/m³
17.열기관과 냉동기

답: Wmax = 2753 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 = 500 + 273.15 = 773.1 K
TL = 5 + 273.15 = 278.1 K

카르노 효율

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 278.1/773.1 = 64.02 %

최대 일

Wmax = ηmax·QH = 0.6402·4300 = 2753 kJ

답

Wmax = 2753 kJ
18.열기관과 냉동기

답: Sgen = 1.909 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 = 1800 − 558 = 1242 kJ

절대 온도

TH = 500 + 273.15 = 773.1 K
TL = 20 + 273.15 = 293.1 K

열저장소의 엔트로피 변화

ΔSH = −1800/773.1 = −2.328 kJ/K
ΔSL = 1242/293.1 = 4.237 kJ/K
Sgen = 4.237 − 2.328 = 1.909 kJ/K

답

Sgen = 1.909 kJ/K

Sgen > 0이므로 이 기관은 가능하지만 비가역입니다.

19.파동, 소리, 광학

답: f5 = 300 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 = 0.4 m

진동수

f = v/λ = 120/0.4 = 300 Hz

답

f5 = 300 Hz
20.파동, 소리, 광학

답: θ1 = 10.37 °

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 = 1/400 mm = 2.5 × 10⁻⁶ m

격자 방정식

sin θ = mλ/d = 1·450 × 10⁻⁹/(2.5 × 10⁻⁶) = 0.18
θ = 10.37°

답

θ1 = 10.37°

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