그림과 같은 피스톤-실린더 장치에서 피스톤의 질량은 40kg이고, 피스톤 면적이 0.05m 2 일 때 실린더 내의 절대압력은 약 몇 bar인가? (단, 국소 대기압은 0.96bar 이다.)

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1[에너지관리기사 필기] 18년 1회차

그림과 같은 피스톤-실린더 장치에서 피스톤의 질량은 40kg이고, 피스톤 면적이 0.05m² 일 때 실린더 내의 절대압력은 약 몇 bar인가? (단, 국소 대기압은 0.96bar 이다.)

0.964

0.982

1.038

1.122

해설

그림은 수직으로 세운 실린더로, 피스톤 위쪽에는 P_atm = 0.96bar의 대기압이 작용하고 피스톤 아래 밀폐공간의 압력 P를 묻고 있다. 피스톤이 정지해 있으므로 아래쪽 기체가 대기압 + 피스톤 자중을 함께 떠받치는 힘의 평형 상태다.
피스톤 무게에 의한 압력은  $\dfrac{mg}{A} = \dfrac{40 \times 9.8}{0.05} = 7,840\,\mathrm{Pa} = 0.0784\,\mathrm{bar}$  이다(1bar = 10⁵Pa).
따라서 실린더 내부의 절대압력은  $P = P_{atm} + \dfrac{mg}{A} = 0.96 + 0.0784 = 1.0384\,\mathrm{bar}$  로, 약 1.038bar가 된다. 피스톤이 위에 얹혀 있으므로 내부 압력은 반드시 대기압보다 높다는 점만 알아도 대기압보다 낮은 값들은 곧바로 걸러진다.

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