열역학 관련 생각. 2

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열역학 관련 생각. 2

1. Why are aerodynamic drag coefficients of Formula One race cars typically much greater than for ordinary automobiles?

항력(drag force)은 물체가 유체 내를 움직일 때 이 움직임에 저항하는 힘이다.

항력은 마찰력과 압력으로 구분된다. 마찰력은 물체의 표면에 평행한 방향으로 작용하며, 압력은 물체의 표면에 수직한 방향으로 작용한다. 유체 유동의 방향에 수직으로 작용하는 힘은 양력(lift)이라고 한다.

물체의 형상마다 항력계수(drag coefficient)가 다르다. 항력계수가 작을수록, 움직임에 저항하는 하는 힘이 작아진다. 따라서 같은 엔진출력으로도 더 빠르게 주행할 수 있게 된다. 

2. What are several things you as an individual can do to reduce energy use in your home? While meeting your transportation needs?

3. How is it possible for the temperature of air trapped in a balloon to increase? To decrease?

상식적으로, 풍선 안에 공기를 데울수도 있고, 차갑게 할 수도 있다. 주변 공기 온도에 따라 풍선 안의 공기 온도가 변화하리라 생각된다. 한마디로 풍선은 고립계(isolated system)가 아니라, 밀폐계(closed system)다.  

4. Why is it incorrect to say that a system contains heat?

열(heat)은 두 시스템의 온도차(Temperature difference)에 의해 발생한다. A와 B라는 방이 있다. A방이 1000도라고 하면 엄청 뜨거워 열도 클 것 같지만, 만약 B방도 1000도라고 하면, 두 방 사이에 발생하는 열은 0이다.  

5. What examples of heat transfer by conduction, radiation, and convection do you encounter when using a charcoal

grill?

숯에서 데워진 공기가 고기로 열전달을 하는 대류(convection), 숯의 뜨거운 온도와 고기의 온도 차에 의해 발생하는 복사(radiation), 달궈진 석쇄가 고기로 열을 전달하는 전도(conduction)

6. After running 5 miles on a treadmill at her campus rec center, Ashley observes that the treadmill belt is warm to

the touch. Why is the belt warm?

사람이 가만히 서 있으면 체중(W = mg)만큼 지표면에 힘을 가하고 있는 것이다. 반대로 지표면은 사람을 W만큼 힘을 가해 받들고 있는 것이다. 이를 수직항력이라 하며 기호 N으로 나타낸다.    

 

W = mg , N = W = mg

사람이 앞으로 나아가려면, 지면과 마찰로 발생하는 마찰력의 반작용으로 움직일 수 있다. 땅을 뒤로 밀어야 앞으로 가고, 뒤로 가려면 앞쪽으로 힘을 줘야 뒤로 가듯. 그 마찰력의 크기는 수직항력에 비례한다. 여기서 비례상수는 마찰계수 μ이다. 즉,

f ∝ N , f = μN = μmg

이 힘을 들여서 거리 S만큼 가는 데 필요한 에너지는 다음과 같다. 다시 말하면, 이 에너지 만큼 런닝머신으로 전달한 것이다. 

에너지 = 일 = (힘)×(힘의 방향으로 이동한 거리) = μmgS

만약 런닝머신이 다른 곳으로 열전달을 하지 않으면, 런닝머신의 온도는 올라가게 된다.  

7. When microwaves are beamed onto a tumor during cancer therapy to increase the tumor’s temperature, this interaction is considered work and not heat transfer. Why?

work의 다중적 의미로 사용된 것이 아닐까? 마이크로웨이브(microwave)를 이용한 테라피(therapy)가 작동한다, 효능이 있다는 뜻으로 말이다. 

8. For good acceleration, what is more important for an automobile engine, horsepower or torque?

F(힘)=m(질량)×a(가속도) 이니깐, 가속을 크게하기 위해서는 돌림힘(토크)이 커야 한다. 

우선, 힘과 일을 구분해야 한다. 일은 일정한 힘으로 얼마나 이동했는지 나타낸다. 

에너지 = 일 = (힘)×(힘의 방향으로 이동한 거리)

토크(torque)는 우리말로 돌림힘이라고 한다. 회전력을 힘과 받침점까지의 거리의 곱이다. 여기서 주목해야 할 점은 토크는 '힘, force'이라는 것이다. 

마력(horsepower)는 일의 단위다. 마력은 말의 출력량(power)을 뜻하는데, 줄여쓰면 마력(馬力)이니 '힘'으로 오해하는 것 같다. 헷갈리지 않게, horsepower는 1초당 질량 75 kg 물체를 1m 끌어올리데 필요한 '일'이다.

horsepower = (힘)×(거리) 

9. Experimental molecular motors are reported to exhibit movement upon the absorption of light, thereby achieving a conversion of electromagnetic radiation into motion. Should the incident light be considered work or heat transfer?

10. Referring to Fig. 2.8, which process, A or B, has the greater heat transfer?

상태 1의 에너지가 상태 2의 에너지로 줄어들었다. 상태 1에서 상태 2로 어떤 과정을 통해 변했는지에 따라 열과 일의 총량이 달라진다. 즉, 일과 열은 경로함수이다. 

상태 1에서 상태 2까지 변화한 에너지는 같다. PV의 면적이 외부로 한 일의 양이 되므로, B 경로가 A보다 더 큰 일을 했다. 반면, B가 A 보다 더 작은 열을 교환하였다고 할 수 있다. 

11. In the differential form of the closed system energy balance,

why is d and not δ used for the differential on the left?

열역학적 상태량은 점함수이고, 일과 열은 경로함수이다. 따라서 점함수의 미분은 완전미분 d를 사용하고, 경로함수의 미분은 불완전미분 δ를 사용한다.

자세한 것은 점함수와 경로함수 를 참조하자.  

12. When two amusement park bumper cars collide head-on and come to a stop, how do you account for the kinetic energy the pair had just before the collision?

범퍼카는 완전 탄성 물질이 아니므로 두 범퍼카가 충돌을 하면, 소리나 열을 발생하면서 운동량이 손실된다.  

13. What form does the energy balance take for an isolated system?

14. What forms of energy and energy transfer are present in the life cycle of a thunderstorm?

15. How would you define an efficiency for the motor of Example 2.6?

16. How much kinetic energy per unit of mass does a human sneeze develop?

재채기할 때 나오는 침의 속도가 360 km/h 정도 된다고 하는데, 캐나다 앨버타주 에드먼턴 소재 공공보건연구소의 바이러스학자인 줄리언 탱 박사의 연구에 의하면 겨우 16.2 km/h (4.5 m/s)에 불과하다고 한다.^[각주:1] 

이 데이터를 토대로, 재채기를 할 때 비운동에너지(specific kinetic energy)는  10.125 [m^2/s^2]이다. 

17. How many tons of CO2 are produced annually by a conventional automobile?

우리나라에서는 자동차에 에너지소비효율등급이 부착되어있다. 공인연비 측정을 위한 모의주행시 생성된 배기가스를 포집하여, 분석장치를 통해 측정한 실측값으로 CO2 배출량을 산정하였다. 만약 1년동안 1만km를 주행하였다면, 저 자동차에서 배출된 CO2는 1.45 톤이 된다.  

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2015. 11. 14 작성

1. http://popsci.hankooki.com/Article/ArticleView.php?UID=10138134 [본문으로]