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제목 [Harry Kim] Carnot Refrigerator (COP & Efficiency) & The Efficiencies of Real Engines & Entropy
AP Physics 2 - Algebra Based 12
작성자 viv*** 등록일 2018-07-17 오전 1:47:54
안녕하세요 Harry Kim 선생님, 

현재 국제학교에 9학년으로 진학 중인 학생입니다. 내년 10학년 때 들을 AP Physics 2 를 예습 하기 위해 선생님 강의를 듣다 몇가지 질문이 생겨 글 남깁니다.

Lecture 12 (textbook 66) 에 Carnot Engine 의 efficiency 가 왜 maximum 인지를 증명하는 그림이 나와 있는데요, 그 밑에 있는 식에 efficiency of the Carnot Refrigerator = |W|/|Qh| 라고 되어 있는데 이렇게 쓰여진 이유를 잘 이해하지 못 하겠습니다. 왜냐하면 제가 이해한 바로는 Carnot Refrigerators' efficiency 는 Coefficient of Performance {TL/(TH-TL)} 로 표현이 되고 여기 쓰여진 |W|/Qh 는 Qh-W=Qc 인 일반적인 Carnot Cycle 의 efficiency 인데 그 증명에 적혀 있는 efficiency of Carnot Refrigerator 은 방향이 reverse 되었음에도 불구하고 왜 그 일반적인 Carnot Cycle's efficiency 로 적혀 있는지 궁금합니다. 그래서 가장 근본적인 질문은 "Carnot Refrigerator 의 efficiency 는 일반적인 Carnot Engine 의 efficiency 와 동일 한가요? 그럼 Coefficient of Performance 와 Efficiency 의 차이점은 무엇인가요?"

그리고 한가지 질문 드릴 것이 또 있는데요, p. 63 에 Entropy as a State Function 에 Integration 으로 표현 되어진 ΔS 가 있는데, 왜 ΔS 가 ∫ (1/T) dQ 로 표현이 되는지 이유를 알고 싶습니다. 그리고 흥미가 가서 직접 풀어 보던 중 잘 풀리지 않아 또 질문 드립니다. 먼저 Q=nCvT, dQ=(nCv)dT 를 substitute 하여 ∫ (1/T) dQ = nCv ∫ (1/T) dT, 그래서 ΔS = nCv ∫ (1/T) dT= nCv ln(Tf/Ti) 이 되는 것 같은데 (여기서는 definite integral 표현이 안되어서 중간에 process 가 비네요) 보시다시피 nR ln(Vf/Vi) 라는 term 이 비어있게 됩니다. 혹시 full explanation 을 해 주실 수 있나요?

항상 많은 도움 주셔서 감사합니다.
첨부파일 CarnotRefrigeratorProof.png
첨부파일 CarnotRefrigerator.png
2018-07-20 오후 5:04:15

1. "Carnot", 즉 reversible 한 refrigerator 이라는 가정 때문입니다. Carnot engine 과 Carnot refrigerator 는 같은 것인데 돌리는 방향만 반대로 한 것입니다. 따라서 본문에 쓰인 efficiency 는 그 refrigerator 와 equivalent 한 Carnort engine 의 efficiency 라고 이해하면 됩니다. efficiency, 또는 coefficient of performance 는 상황에 따라 섞어 쓸 수 있는 것이며, 수식으로 정해져있다기 보다는 (what we want) / (what we pay for) 로 정의됩니다. 66 page의 내용은, Carnot engine 이 아닌 어떤 engine 과 Carnot engine 들 붙여놓고 이 Carnot engine 을 거꾸로 돌려 refrigerator 구실을 하도록 만들어서 engine-refrigerator cycle 을 만들어 놓은 상태에서 우리가 제시한 non-Carnot engine 의 효율이 Carnot engine 의 그것보다 크다면 열역학 제2법칙에 위배된다는 모순을 보여주려하는 것입니다. 

 

2. 첨부한 그림을 보면 됩니다. dQ/T 는 entropy increment 의 definition 이며, 그림에 표현된 식은 monatomic gas 가 아니더라도 항상 성립합니다. 

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