열기관(Heat Engine Cycyle) 일반물리학 실험

소개

열기관의 순환동안 효율을 구하는 일반물리학 실험보고서 입니다.

목차

I. 서 론
Ⅱ. 이 론
Ⅲ. 실 험
Ⅳ. 실험의 결과와 해석
Ⅴ. 결과 토의

본문내용

I. 서 론
ⅰ) 실험 동기 : 열기관은 이상기체를 담은 원통과 움직이는 피스톤으로 구성된 장치로, 네 단계를 거쳐 작동하게 된다. 열역학 제 2법칙에 따라 완벽한 열기관을 만들 수는 없기 때문에 이번 실험을 통해서는 열기관에 대한 대략적인 개념을 정립해보고자 하였다.
ⅱ) 실험 목표
① 열기관이 작동하는 순환과정의 네 단계를 거치면서 부피와 압력의 변화를 분석한다.
② 실험에서 열기관이 한 일을 구해서 효율 e를 구한다.

Ⅱ. 이 론
ⅰ) 열기관 General Physics Laboratory1, KAIST
핵심물리학, Richard Wolfson, Pearson

열기관의 최대 효율은 뜨거운 물의 온도 TH, 차가운 물의 온도를 Tc에 의존한다. 식으로 표현하면 이고, 실제 값은 이다. 여기서 W는 열기관이 주변 환경에 대해 한 일의 양을 말하고, QH는 뜨거운 물로부터 얻어낸 열을 말한다.
열기관 순환의 처음 단계에서 추를 피스톤에 올리기 전 온도가 일정하게 유지시켜져야한다. 온도가 변하지 않는 다면 이므로 내부 기체의 에너지도 일정할 것이다. 열역학 제 1법칙에 따라 로 Q는 기체에 가해진 열이고 W는 기체가 수행한 일의 양이다.
순환의 두 번째 단계에서 기체에 열이 가해지고 팽창된다. 이 과정에서 기체에 더해진 열은 이고, n은 기체의 몰 수, Cp는 등압 몰비열을 말한다. 열역학 제 1법칙에 의해 기체에 의해 수행된 일의 양은 이다. 공기의 초기 에너지는 이고, Cv는 등적 몰비열을 말한다. 이다.
세 번째 단계에서 기체가 뜨거운 온도 하에서 존재하는 동안 추가 피스톤에서 내려진다. 열은 기체에 가해지고 기체는 팽창하면서 일을 한다. 등온과정동안 기체가 한 일은
이다. 여기서 Vi는 등온과정의 초기 부피이고 Vf는 등온과정의 마지막 부피이다. 열역학 제 1법칙에 따라 기체에 가해진 열의 양은 기체가 한 일과 같으므로
이다.
마지막 단계에서 열은 기체로부터 찬 물로 빠져나오고 피스톤은 원래의 위치로 돌아온다. 이 과정은 등압과정이며 같은 식이 순환과정의 두 번째 단계에도 적용된다.

Ⅲ. 실 험
ⅰ) 실험 준비물
열기관 실험장치, 200g짜리 추, 비커 2개, 뜨거운 물, 차가운 물, Data studio 프로그램

ⅱ) 실험 과정
① 열기관 실험 장치를 알맞게 설치하고 찬물이 담긴 비커에 원통 캔을 놓고 안정시킨다.
② Data studio 프로그램을 시작시키고 200g 추를 플랫폼에 올려놓는다.
③ 상태가 안정된 것 같으면 원통 캔을 찬물이 담긴 비커에서 꺼내어 뜨거운 물이 담긴 비커로 재빠르게 옮긴다.
④ 시간이 조금 지난 후, 200g 추를 플랫폼에서 내려놓는다.
⑤ 상태가 안정되면 원통 캔을 뜨거운 물이 담긴 비커에서 꺼내어 차가운 물이 담긴 비커로 재빠르게 옮긴다.
⑥ 같은 방법으로 실험을 2번 더 반복하고 데이터를 저장한다.

참고자료

· General Physics Laboratory1, KAIST
· 핵심물리학, Richard Wolfson, Pearson