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과학

열기관

열기관과학
영문명
Heat engine
입력
고온 쪽에서 받은 열
유용한 출력
외부에 한 순 일
열효율
순 일 / 흡수한 열
열기관은 열을 받아 그 일부를 외부에 하는 일로 바꾸는 장치다. 순환하는 열기관에서는 작동 물질이 처음 상태로 돌아오는 동안 고온 쪽에서 열을 받고 저온 쪽으로 일부 열을 내보내며 순 일을 생산한다.

한 번의 순환에서 보는 에너지

고온 쪽에서 받은 열의 크기를 Qh, 저온 쪽으로 내보낸 열의 크기를 Qc, 외부에 한 순 일을 W라 하면 W = Qh − Qc다. 여기서는 각 기호를 전달량의 양의 크기로 정의한다. 열과 일의 일반적인 부호 관례와 섞지 않는 것이 중요하다.

열효율의 의미

열효율 η는 W/Qh로 구한다. 가상의 열기관이 한 순환에 800 J를 받아 520 J를 내보냈다면 순 일은 280 J이고 효율은 0.35, 즉 35%다. 내보낸 열을 유용한 일로 계산하거나 일률과 에너지량을 혼용해서는 안 된다.

작동 물질이 돌아오는 까닭

순환 뒤 작동 물질이 처음 상태로 복원되면 내부 에너지의 전체 변화량은 0이다. 그렇더라도 순환 중 받은 열과 외부에 한 일이 모두 0인 것은 아니다. 상태 함수의 변화량과 경계를 통해 전달된 에너지는 다른 개념이다.

장치와 모형의 관계

피스톤이나 터빈처럼 실제 장치의 구조는 다양하지만 열과 일의 흐름을 정리하면 공통된 수지를 세울 수 있다. 모형을 비교할 때에는 한 순환 기준인지 단위 시간 기준인지 확인하고, 열효율과 출력의 크기도 구별해야 한다.

관련 문서

열 / 일 / 내부 에너지 / 상태 함수 / 엔트로피 / 가역 과정 / 단열 과정 / 등온 과정