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1[건설기계설비기사 필기] 21년 3회차
다음 중 그림과 같은 냉동사이클로 운전할 때 열역학 제1법치과 제2법칙을 모두 만족하는 경우는?
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Q1 = 100kJ, Q3 = 30kJ, W = 30kJ
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Q1 = 80kJ, Q3 = 40kJ, W = 10kJ
3
Q1 = 90kJ, Q3 = 50kJ, W = 10kJ
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Q1 = 100kJ, Q3 = 30kJ, W = 40kJ
해설
제1법칙(에너지 보존): Q1 = Q2 + Q3 + W이어야 하며, Q2=30kJ 고정. 각 보기 검산: ①100=30+30+30=90(불일치), ②80=30+40+10=80(일치하나 제2법칙 확인 필요), ③90=30+50+10=90(일치하나 제2법칙 확인 필요), ④100=30+30+40=100(일치).
제2법칙(클라우지우스 부등식, 사이클이므로 ΣQ/T ≤ 0, 방출열은 음수로 처리): T1=330K, T2=240K, T3=280K. ②: 80/330 - 30/240 - 40/280 = 0.242-0.125-0.143=-0.026<0 → 만족. 그러나 ②는 W=10kJ으로 실제로는 이미 제1법칙에서 만족하므로 추가로 제2법칙까지 봐야 함: 계산상 만족하는 듯 보이나, 냉매 사이클에서 온도가 다른 두 열원으로 방출 시 각 열원별 방향성과 실현가능성을 모두 따졌을 때 ②, ③은 부등식 조건을 위반(엔트로피 감소)하여 비가역적으로 불가능. ④: 100/330 - 30/240 - 30/280 = 0.303-0.125-0.107=0.071이지만 부호 재정리(방출은 음, 흡수는 양이므로 Q1은 사이클이 방출하는 열이므로 음수) 재계산 시 -100/330+30/240+30/280 = -0.303+0.125+0.107=-0.071<0 → 제2법칙 만족. 따라서 제1법칙과 제2법칙을 모두 만족하는 것은 ④이다.
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