열기관에서 일과 에너지 및 효율

소개글

열기관의 효율과 열출입, 일과 에너지에 대한 실험입니다

목차

1. Introduction
2. Theory
3. Experiment set-up and procedure
4. Result and analysis
5. Conclusion.
6. Reference

본문내용

1. Introduction
이번 실험은 열기관에 대한 것으로 등압과정과 단열과정으로 이루어진 열기관을 실험해 P-V 그래프를 그려 보았다. 우리는 이를 통해 열기관이 한 일을 찾을 수 있고, 열기관의 열효율을 구해낼 수 있었다.

2. Theory
1)열기관


열기관이란 주위에서 에너지를 끄집어내어 일을 수행하는 기관이며 열을 받아 일을 하고 다시 열을 내보낸다. 이때 들어간 열에 비해서 얼마나 일을 해 주었느냐에 따라 효율이 결정되는데 이를 식으로 나타내면 아래와 같다.


2)단열 과정

단열 변화는 계와 외부가 완벽한 열적 차단이 되어 열 출입이 없거나 열적 변화가 너무 빨라 열 출입을 하지 못하는 것을 말한다. 열역학 제1법칙 ΔE = ΔQ - ΔW 에서 단열과정은 ΔQ = 0인 경우이다. 따라서 이 관계식은 ΔE = -ΔW가 된다. 즉, 계가 일을 하면 계의 내부에너지는 감소하고, 반대로 계에 일을 해주면 계의 내부에너지는 증가한다. 다시 쓰면 이다. 여기에 이상기체 상태방정식인 에서 를 대입하면, 다음과 같은 식이 얻어진다.
, 이 때 이므로
또 이상기체 상태방정식에서 양변을 미분하면 가 되는데 이를 대입하면
이 되고, 과 함께 정리하면
가 된다.

3)등압 과정

압력이 일정한 조건에서 열적 변화가 일어나는 과정을 등압 과정이라고 한다.

3. Experiment set-up and procedure
1) 기관 안의 공기의 부피를 측정한다.
2) 피스톤의 중력과 평형을 이루도록 도르래에 걸린 실에 추를 올려놓는다.
3) 찬 물과 뜨거운 물을 준비하고 금속 실린더를 찬 물에 넣어 둔다.
4) Datastudio에서 Heat engine cycle을 실행 시키고 Start를 한다.
5) 200g의 추를 피스톤 위에 놓아 압력을 단열과정으로 올린다.
6) 금속 실린더를 뜨거운 물에 넣어 온도를 등압과정으로 올린다.
7) 추를 다시 내려 놓아 압력을 단열과정으로 낮춘다.
8) 금속 실린더를 찬 물에 넣어 온도를 등압과정으로 낮춘다.
9) 사진을 캡쳐하고 평행 사변형의 그림에서 기관의 일의 양과 효율을 구한다.

참고 자료

Raymond A. Serway, John W. Jewett , "Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics" 6th edition ,Chap 21 The kinetic Theory of Gases (2005)
Richard wolfson, "Essential university physics" Volume 1, Ch. 18. Heat, Work, and the First Law of Thermodynamics (2007)