다음 열역학 성질(상태량)중 종량직(extensive) 성질인 것은?
- 질량
- 온도
- 압력
- 비체적
정답과 해설 보기
정답 ① · 주어진 열역학 성질 중 계의 크기에 비례하는 종량직 성질을 고르는 문제이다. 질량은 계의 규모가 커지면 그만큼 커지므로 대표적인 종량직 성질이다.
계의 크기에 비례하는 종량직(extensive) 성질은 질량이며, 온도와 압력은 강량직(intensive)이다.
개념 한 쪽
건설기계설비기사 물질의 상태와 상태량 — 상태량의 분류과 계산
열역학에서는 시스템의 상태를 나타내는 물리량을 상태량이라 하고, 이들 상태량은 계의 크기에 따라 달라지는 종량적(extensive)과 크기와 무관한 강량적(intensive)으로 구분한다. 상태량의 정의와 분류, 기본적인 계산식을 숙지하면 기초적인 열역학 문제를 풀 수 있다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「물질의 상태와 상태량」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 종량·강량 구분 | 1 | 성질이 계 크기에 의존하는지 판단하여 분류하기 |
| 혼합 밀도 계산 | 1 | 혼합 전후의 총질량과 총체적으로 밀도 구하기 |
| 수중 절대압력 계산 | 1 | 대기압과 수압을 합산하여 절대압력 구하기 |
뜻
상태량은 시스템이 현재 어떤 상태에 있는지를 나타내는 물리량으로, 그 값은 그 상태에 이르는 경로와 무관하게 결정된다는 성질을 가진다. 압력, 온도, 부피, 엔탈피, 엔트로피 등이 대표적인 상태량이며, 상태량과 물질 고유의 상수(예: 기체상수)는 구분되어야 한다.
상태량의 분류 기준은 계의 크기(질량 등)에 대한 의존성 유무이다. 종량적 상태량은 계의 크기나 총질량에 비례하여 값이 변하는 물리량을 말한다. 예로 질량과 전체 체적(V)이 종량적 상태량에 해당한다. 반대로 강량적 상태량은 계의 크기와 무관하게 특정 상태에서 값을 가지는 물리량을 말하며, 온도, 압력, 비체적(단위 질량당 부피) 등이 여기에 해당한다.
에너지 관련 상태량 중에는 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피 등이 질량에 비례하는 성질을 보이므로 종량적 성질로 볼 수 있다. 반면 단위 질량당 값은 강량적 성질로 분류되므로, '비'가 붙은 값은 대체로 강량적이라는 실무적 판단을 적용할 수 있다.
상태량 문제를 풀 때는 먼저 '이 물리량이 계의 총량에 따라 달라지는가?'를 질문하여 분류 기준으로 삼는다. 상태량과 물질 상수(예: 기체상수)를 혼동하지 않고, 경로 의존성 여부를 기준으로 상태량의 정의를 확인해야 한다.
예제
1) 상태량 분류 예시: 질량 1kg과 2kg의 물이 같은 온도일 때 온도는 같으므로 강량적 성질이다. 반면 질량은 물의 양에 비례하여 달라지므로 종량적 성질이다. 문제 해결의 출발은 '계 크기에 따라 값이 변하는가?'라는 질문을 세우는 것이다.
2) 비열 계산 예시: 단위 질량당 열용량인 비열은 전체에 준 열량을 질량과 온도 변화의 곱으로 나누어 구한다. 즉 c = Q/(mΔT)로 계산한다. 예를 들어 공급된 열량이 825 kJ이고 질량이 4 kg이며 온도 변화가 85 K이면 c = 825000 J / (4 × 85) ≈ 2426 J/kg·K가 된다. 계산 시 열량 단위 변환과 온도 차를 정확히 적용하는 점을 주의한다.
대표 기출 3문항
물질의 양에 따라 변화하는 종량적 상태량은?
- 밀도
- 체적
- 온도
- 압력
정답과 해설 보기
정답 ② · 물질의 양에 따라 값이 변하는 종량적 상태량을 고르는 문제이다. 종량적 상태량은 계의 크기, 즉 질량에 비례하여 변하는 양으로 체적, 질량, 엔탈피, 엔트로피 등이 여기에 속한다.
물질의 양에 비례하여 변하는 값을 종량적 상태량, 물질의 양과 무관한 값을 강량적 상태량이라고 합니다.
해수면 아래 20m 에 있는 수중다이버에게 작용하는 절대압력은? (단, 대기압은 101kPa이고, 해수의 비중은 1.03이다.)
- 202.9 kPa
- 302.9 kPa
- 101.3 kPa
- 503.4 kPa
정답과 해설 보기
정답 ② · 수중 다이버에게 작용하는 절대압력을 구하는 문제이다. 절대압력은 대기압과 수심에 의한 게이지 압력의 합으로 P = P_atm + ρgh이다.
절대압력은 대기압에 수심에 의한 수압(게이지 압력)을 더하여 계산합니다.
자주 묻는 물음
- 종량적 상태량과 강량적 상태량을 어떻게 구분하나요?
- 종량적 상태량은 계의 크기나 총질량에 비례하여 값이 변하는 물리량이고, 강량적 상태량은 계의 크기와 무관한 고유한 값을 가지는 물리량이다. 가장 빠른 판별법은 '물질의 양이 변하면 값도 변하는가?'를 묻는 것이다.
- 상태량과 물질의 고유상수는 어떻게 구별하나요?
- 상태량은 시스템의 현재 상태를 나타내는 변수로 경로와 무관하게 결정되는 반면, 물질의 고유상수는 특정 물질의 고정된 수치이다. 예컨대 압력이나 엔트로피는 상태량이지만 기체상수는 상태량이 아니다.
- 비열을 계산할 때 주의할 점은 무엇인가요?
- 비열 계산에서는 공급된 열량을 SI 단위(J)로 변환하고, 질량과 온도 변화량을 정확히 대입하여 c = Q/(mΔT) 공식을 적용하는 점을 주의한다.
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