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1[가스기능장 필기] 19년 2회차
대부분의 실제기체는 상온에서 교축팽창시키면 온도가 내려가지만, 수소와 헬륨은 상온에서 교축팽창시키면 오히려 온도가 올라간다. 그 이유로 옳은 것은?
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최대 역전온도가 상온보다 낮아서 상온에서는 줄-톰슨 계수가 음(−)의 값이 되기 때문이다.
2
임계온도가 상온보다 높아서 교축되는 동안 기체 일부가 응축하며 응축열을 내놓기 때문이다.
3
교축과정은 엔트로피가 일정한 과정이어서 압력이 내려간 만큼 온도가 올라가야 하기 때문이다.
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분자량이 작아 분자 사이의 인력이 반발력보다 크게 작용하여 팽창할 때 열이 발생하기 때문이다.
해설
수소와 헬륨은 최대 역전온도가 상온보다 낮아 상온에서 줄-톰슨 계수가 음(−)이기 때문에 교축팽창 시 온도가 올라간다.
줄-톰슨 계수 는 역전온도 아래에서 양(+)이어서 압력이 내려가면 온도도 내려가고, 역전온도 위에서는 음(−)이어서 압력이 내려가면 온도가 올라간다. 최대 역전온도는 수소가 약 200 K, 헬륨이 약 40 K 부근으로 상온보다 훨씬 낮으므로, 이들 가스를 교축으로 냉각·액화하려면 먼저 역전온도 아래까지 예냉해야 한다.
- 수소와 헬륨의 임계온도는 각각 약 33 K, 약 5 K로 상온보다 매우 낮아 상온에서 응축이 일어날 수 없다.
- 교축과정은 엔탈피가 일정한 비가역과정이며 엔트로피는 증가한다.
- 역전온도보다 높은 온도에서는 분자 사이의 반발력이 인력보다 우세하게 작용하며, 인력이 우세한 경우에는 오히려 팽창 시 온도가 내려간다.
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