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 열역학시스템과 검사체적 — 종량·강량 상태량 구분과 압력·비열 계산
열역학에서 상태량은 계의 크기 의존성에 따라 분류되며, 종량적 상태량은 물질의 양에 비례하고 강량적 상태량은 물질의 양과 무관한 값을 가진다. 또한 폐쇄계, 개방계, 고립계의 구분은 질량과 에너지의 출입 여부로 정의되고, 압력과 열량 계산은 절대압력과 게이지압력, 비열 공식으로 처리한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「열역학시스템과 검사체적」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 종량·강량 구분 | 1 | 성질이 계의 질량에 의존하는지로 종량/강량을 판별하는 능력을 묻는다 |
| 체적(종량) 판별 | 1 | 주어진 물리량이 물질의 양에 따라 변하는 종량적 성질인지 판단하는 문제를 제시한다 |
| 수심에 의한 절대압력 계산 | 1 | 대기압과 수압을 합산하여 수중에서의 절대압력을 계산하는 방법을 묻는다 |
뜻
상태량은 시스템의 현재 상태를 나타내는 물리량으로, 경로와 무관하게 값이 결정되는 성질을 가진다. 이들 상태량은 질량에 비례하여 변하는 종량적(extensive) 성질과 질량과 무관하게 일정한 강량적(intensive) 성질로 나뉜다. 예를 들어 질량과 전체 부피는 종량적 성질에 해당하고, 온도·압력·비체적(v)·밀도는 강량적 성질에 해당한다.
종량적 성질은 계의 크기를 두 배로 하면 값이 두 배가 되는 양을 말하며, 내부에너지·엔탈피·엔트로피 등도 질량에 비례하는 성질로 분류된다. 강량적 성질은 계의 크기와 무관하게 특정 상태에서 고유한 값을 가지는 물리량이므로 온도나 압력처럼 부분적인 특성을 나타내는 변수는 강량적 성질로 본다.
열역학적 계의 구분에서 폐쇄계는 질량의 출입이 차단되나 열과 일은 경계를 통과할 수 있는 계로 정의한다. 반대로 개방계는 질량과 에너지가 경계를 통과할 수 있고, 고립계는 질량과 에너지 모두 경계로부터 차단되는 계로 이해한다.
압력은 절대압력과 게이지압력의 관계로 다루어야 한다. 절대압력은 진공을 기준으로 한 값이며, 계기에서 읽는 게이지압력은 대기압을 기준으로 하므로 절대압력은 게이지압력에 대기압을 더하여 얻는다. 열량과 비열 관계는 Q = m c ΔT 공식을 사용하여 비열을 구하거나 공급 열량을 계산한다.
예제
종량·강량 구분 문제는 '물질의 양에 따라 값이 변하는가'라는 기준으로 빠르게 판별한다. 질량이나 전체 체적(V)은 물질 양에 비례하므로 종량적 상태량으로 분류하고, 온도나 압력은 계의 크기와 무관하므로 강량적 상태량으로 분류한다.
비열 계산 예시는 Q = m c ΔT 공식을 적용한다. 예컨대 4 kg의 액체를 초기 온도 15°C에서 최종 온도 100°C까지 가열하는 데 825 kJ의 열을 공급했다면 비열 c는 c = Q/(mΔT)로 계산한다. Q = 825,000 J, mΔT = 4 × 85 = 340이므로 c ≈ 825000/340 ≈ 2426 J/kg·K로 산출되며, 보기 중 근사값을 택하도록 한다.
수중 절대압력 계산 예시는 절대압력 = 대기압 + ρgh 공식을 사용한다. 해수의 비중이 1.03이고 대기압이 101kPa일 때 해수 밀도를 1030 kg/m³로 두고 h=20m, g=9.8m/s²를 대입하면 수압 ≈ 1030×9.8×20 ≈ 201.9kPa가 되어 절대압력 ≈ 101 + 201.9 ≈ 302.9kPa로 계산된다.
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 상태량은 어떻게 구분하나?
- 물질의 양에 따라 값이 비례하면 종량적 상태량이고, 물질의 양과 무관하면 강량적 상태량으로 구분한다.
- 폐쇄계의 정의는 무엇인가?
- 폐쇄계는 질량의 출입이 차단되나 열과 일은 경계를 통과할 수 있는 계로 정의한다.
- 게이지압력과 절대압력은 어떤 관계인가?
- 절대압력은 게이지압력에 대기압을 더한 값으로 계산한다.
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