다음 냉동 사이클에서 열역학 제1법칙과 제2법칙을 모두 만족하는 Q1,… | [건설기계설비기사 필기] 19년 2회차 기출문제 상세 페이지

열역학 제1법칙과 제2법칙을 모두 만족하는 조합은 $Q_1=20\,\mathrm{kJ}$, $Q_2=30\,\mathrm{kJ}$, $W=20\,\mathrm{kJ}$이다.
그림의 사이클은 $T_3=240\,\mathrm{K}$인 저온부에서 $Q_3=30\,\mathrm{kJ}$을 흡수하고 일 $W$를 공급받아, $T_1=320\,\mathrm{K}$로 $Q_1$, $T_2=370\,\mathrm{K}$로 $Q_2$를 방출한다. 제1법칙은 $Q_3+W=Q_1+Q_2$이다.
정답 조합은 $30+20=20+30=50\,\mathrm{kJ}$으로 에너지 보존을 만족한다. 제2법칙은 전체 엔트로피 변화로 확인한다:
$\Delta S=\dfrac{Q_1}{T_1}+\dfrac{Q_2}{T_2}-\dfrac{Q_3}{T_3}=\dfrac{20}{320}+\dfrac{30}{370}-\dfrac{30}{240}\approx +0.019\,\mathrm{kJ/K}>0$
양수이므로 제2법칙도 만족한다.
나머지 조합은 다음 이유로 제외된다.
$Q_1=Q_2=20,\;W=20$ : $30+20=50\ne 40$이라 제1법칙 자체가 성립하지 않음
$Q_1=Q_2=20,\;W=10$ : 에너지식은 맞지만 $\Delta S\approx-0.008\,\mathrm{kJ/K}$로 엔트로피 감소 → 제2법칙 위반
$Q_1=20,\;Q_2=15,\;W=5$ : 에너지식은 맞지만 $\Delta S\approx-0.022\,\mathrm{kJ/K}$로 역시 제2법칙 위반