귀여운 촌아의 작은상자

열역학 4-91.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

Fundamentals and Applications

-Yunus A. Cengel

-Michael A. Boles

-부준홍 김덕줄 김세웅 김수현 신세현 이교우 정우남 최경민 공역

McGraw-Hill

문제 4-91

일정 량의 몸 속 지방으로 견딜 수 있는 단식 일 수를 계산한다

가정: 단식 투쟁을 하는 사람은 일반적인 68kg인 성인이라고 가정하며 단식 투쟁 간에는 다른 에너지 소비는 없다.

또한 단식 투쟁 중의 기초 신진 대사는 일정하다. 지방에서 얻는 에너지는 모두 신진대사에 사용된다.

풀이: 단식 투쟁 중인 사람은 다른 활동없이 휴식하고 있는 상태와 같고,

단식 투쟁 중에 사람의 기초 신진 대사는 일정하므로

표 4-2 몸무게가 68kg인 성인의 활동에 따른 대략적 에너지 소비율 표를 참고하여 아래와 같다.

이때 지방의 에너지 함유량은 아래와 같으므로

버틸 수 있는 일 수는 다음과 같이 계산된다.

열역학 4-90.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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-부준홍 김덕줄 김세웅 김수현 신세현 이교우 정우남 최경민 공역

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문제 4-90

아이스크림을 먹어서 얻은 칼로리를 소모하기 위해 필요한 조깅 시간을 계산한다.

가정: 남자가 조깅으로 소모하는 에너지는 일정하다.

풀이: 1L의 아이스크림의 에너지 함유량은

교재의 표 4-1 몇 가지 일반적인 음식물의 대략적 신진대사 가능 에너지 함유량 표를 참고하여 아래와 같다.

이때 표 4-2 몸무게가 68kg인 성인의 활동에 따른 대략적 에너지 소비율을 참고하면

55kg의 남자가 조깅으로 소비하는 에너지는 아래와 같다.

따라서 아이스크림 1L로부터 얻은 에너지를 조깅으로 소비하기 위해 필요한 시간은 아래와 같다.

열역학 4-89.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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문제 4-89

자전거를 타는데 필요한 에너지를 초콜렛 캔디바로 충당할 때, 30g 초콜렛 캔디바 몇 개가 필요한지 계산한다.

가정: 자전거를 타는 동안에 소모되는 에너지는 일정하다.

풀이: 68kg의 성인 여자가 자전거를 한 시간 탈 때 소모하는 에너지는

교재의 표 4-2 몸무게가 68kg인 성인의 활동에 따른 대략적 에너지 소비율을 참고하여 아래와 같다.

주어진 30g 초콜릿 캔디바 한 개의 에너지 함유량은

교재의 표 4-1 몇 가지 일반적인 음식물의 대략적 신진대사 가능 에너지 함유량 표를 참고하여 아래와 같다.

따라서 한 시간씩 자전거를 탈 때 필요한 초콜렛 캔디바의 개수는 다음과 같다.

열역학 4-88.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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문제 4-88

교실 내에 30명의 학생이 있을 때 실내 온도가 내려가지 않기 위한 난방기 작동 유무를 결정한다.

가정: 교실은 주어진 열손실 외에 다른 열손실과 열유입이 없다.

또한 다른 에너지 유입 및 공기의 유출입은 없고 학생들이 방출하는 열은 실내 공기에 균일하고 일정하게 전달된다.

풀이: 교실 안에는 30명의 학생이 있으므로 실내에 전달되는 열전달률은 다음과 같다.

외부로의 열손실이 아래와 같으므로

현재 상태에서 교실은 열유출이 더 크기 때문에 실내 온도가 내려가는 것을 막기 위해서는 난방기를 작동해야 한다.

열역학 4-87.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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문제 4-87

매일 30분 동안 조깅하는 사람과 TV 시청만 하는 사람의 한 달 후 몸무게 차이를 구한다.

가정: 서로의 운동 및 TV 시청 시간을 제외하고 모든 조건이 같다고 가정한다.

소비한 에너지는 체내의 지방을 소모한다.

풀이: 문제에 주어진 80kg의 두 사람이 각 활동에 따른 에너지 소비량은

교재의 표 4-2 몸무게가 68kg인 성인의 활동에 따른 대략적 에너지 소비율을 참고하여 아래와 같다.

따라서 체중이 80kg인 두 사람의 각 활동에 따른 일일 에너지 소비량 차이는 아래와 같다.

즉, 조깅을 하는 사람이 TV 시청하는 사람보다 더 칼로리를 소모하며, 이로 인한 일일 몸무게 차이는 다음과 같이 계산된다.

따라서 한 달 후 두 사람의 몸무게 차이는 다음과 같다.

열역학 4-86.docx

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문제 4-86

전기 저항 가열기와 세 쌍의 사람들이 춤 추고 있는 동일한 방 중 공기 온도가 더 빨리 상승하는 방은 어느 방인가?

가정: 전기 저항 가열기와 사람들에게서 공기로 전달되는 열전달률은 일정하고 균일하다.

방 안의 공기의 질량 및 상태량은 동일하며, 공기의 상태량은 균일하고 일정하다.

방은 단열되어 있으며 전기 저항 가열기와 사람들에게서 전달되는 열은 모두 공기로 전달된다고 가정한다.

풀이: 빠르게 춤을 추고 있는 사람 한 명이 실내로 전달하는 열전달률은 교재의 특별 관심 주제에 있는

표 4-2 몸무게가 68kg인 성인의 활동에 따른 대략적 에너지 소비율을 참고하여 아래와 같다고 가정한다.

따라서 세 쌍의 사람들, 즉, 6명의 사람이 실내 공기에 전달하는 열전달률은 다음과 같으므로

2kW의 전기 저항 가열기보다 사람들이 빠르게 춤을 추고 있는 방의 공기 온도가 더 빨리 증가한다.

열역학 4-80.docx

열역학 Thermodynamics 5th Edition.

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문제 4-80

긴 원통형 강철봉이 오븐을 통과하며 열처리될 때, 오븐 내에서 강철봉으로의 열전달률을 구한다.

가정: 강철봉의 온도는 항상 균일하며 밀도와 비열은 일정하다. 강철봉의 속도는 일정하며 운동 및 위치에너지 변화는 없다.

오븐 내의 온도는 일정하다.

풀이: 원통형 강철봉 단위 길이에 대한 한 부분을 계로 선택하면 곙계일과 계의 경계를 통과하는 질량은 없고

운동 및 위치에너지 변화 또한 없다. 따라서 단위 길이 당 에너지 평형식은 다음과 같다.

이때 단위 길이 당 강철봉의 질량은 아래와 같으므로

단위 길이 당 오븐에서 강철봉으로의 열전달량은 다음과 같다.

그러므로 오븐 내에서 강철봉으로 전달되는 열전달률은 다음과 같다.

열역학 4-79.docx

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문제 4-79

정방형 황동판이 생산 설비에서 오븐을 통과하며 가열될 때, 오븐 내에서 황동판으로의 열전달률을 구한다.

가정: 황동판의 온도는 항상 균일하며 밀도와 비열은 일정하다. 황동판이 열처리되는 속도는 일정하다.

오븐 내의 온도는 균일하고 일정하다. 황동판의 운동 및 위치에너지 변화는 없다고 가정한다.

풀이: 정방형 황동판 한 개를 계로 선택하면 계의 경계일과 질량의 유출입이 없고 운동 및 위치에너지 변화가 없다.

또한 오븐에서 계로 유입되는 열만 있으므로 에너지 평형식은 다음과 같다.

이때 황동판 한 개의 질량은 다음과 같으므로

황동판 한 개로 전달되는 열량은 다음과 같이 계산된다.

따라서 오븐 내에서 가열되는 황동판들로 전달되는 열전달률은 다음과 같다.

열역학 4-78.docx

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문제 4-78

구로 근사할 수 있는 달걀을 끓는 물에 넣어 가열할 때, 일정 평균 온도에 도달할 때까지 전달되는 열을 계산한다.

가정: 주어진 달걀은 구로 근사하며 달걀의 온도는 항상 균일하다고 가정한다.

과정 동안에 달걀의 밀도와 비열은 일정하고 균일하다고 가정한다. 끓는 물의 온도는 일정하고 균일하다.

달걀의 화학적 변화 등은 고려하지 않는다.

풀이: 달걀 전체를 계로 선택하면 경계일은 없고 계의 경계를 통과하는 질량은 없다.

끓는 물에서 달걀로의 열전달만 있으므로 계의 에너지 평형식은 다음과 같다.

달걀의 질량은 다음과 같으므로

달걀에 전달되어야 할 열은 다음과 같이 계산된다.

열역학 4-76.docx

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문제 4-76

5분간 작동되는 전기 기구의 최고 온도를 구한다.

가정: 전기 기구의 비열은 일정하고 균일하며 소비되는 전력은 모두 열에너지로 전기 기구에 균일하게 전달된다.

전기 기구는 꺼져있는 동안 주위 온도까지 냉각된다.

풀이: 전기 기구를 계로 선택하면 경계일과 계의 경계를 통과하는 질량은 없다.

이때 전기 기구가 최고 온도까지 상승하기 위해서는 전기 기구가 소비하는 전력이 모두 열 에너지로 전달될 때 이므로

계를 빠져나가는 에너지는 없다. 따라서 에너지 평형식은 다음과 같다.

그러므로 전기 기구의 가능한 최고 온도는 다음과 같이 계산된다.

여기에 만약 알루미늄 열침(heat sink)이 접촉되어 있고, 전기 기구와 알루미늄 열침의 온도는 같고 균일하다고 가정하면

에너지 평형식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

이때 알루미늄 열침의 비열은 부록의 TABLE A-3을 참고하면 아래와 같고,

따라서 최고 온도는 다음과 같이 계산된다.