열기관의 효율-가상실험

 

 

|열기관의 열효율|

 

열에너지를 유용한 일로 바꾸는 장치를 열기관이라고 한다. 열기관은 몇 단계의 열역학 과정을 거쳐서 원래 상태로 돌아오는 순환 과정을 통하여 작동한다.

 

 

열기관은 그림과 같이 높은 온도의 고열원으로부터 열 Q₁을 흡수한다. 이때 열 Q₁이 모두 일 W로 바뀌지 않는다. 열기관의 주위를 둘러싸고 있는 저열원으로 열이 저절로 흘러 나간다. 저열원으로 방출되는 열을 Q₂라고 하면 열기관이 외부에 한 일 W는 W=Q₁-Q₂가 된다.

이때 열기관의 효율 e는 열기관에 공급된 열 Q₁ 중에서 얼마만큼이 일 W로 이용되는지에 의해 결정된다. 즉, 열기관의 효율 e는

 

 

이다.

열은 스스로 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동하지만 그 반대로의 열의 이동은 저절로 일어나지 않는다. 이처럼 열 또는 에너지의 이동에 방향성이 있음을 나타내는 법칙을 열역학 제 2법칙이라고 한다.

열역학 제 2법칙에 의해 열은 스스로 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동하므로 위의 열기관에서 Q₂는 0이 될 수 없다. 따라서 열기관의 효율 e는 항상 1보다 작다. 즉, 효율이 100%인 열기관은 존재하지 않는다. 이것은 열기관 주위에 존재하는 저열원으로 열이 방출되는 것을 완벽하게 차단할 수가 없기 때문이다.

 

 

프랑스의 과학자인 카르노는 열효율이 가장 높은 이상적인 열기관에 대하여 연구하였다. 카르노 기관은 어떤 열기관보다 열효율(e_카)이 높고, 고열원의 온도 T₁과 저열원의 온도 T₂로 구할 수 있다.

 

저열원의 온도 T₂가  0K일 수 없으므로 카르노 기관의 효율도 100%가 될 수 없다.
카르노 기관보다 효율이 더 높은 열기관은 만들 수 없으며, 실제 열기관의 경우 열효율은 약 40%이하이다.

 

내용출처 : 천재교육 물리2