열기관과 열효율

통합과학2 · 환경과 에너지 — 열기관은 고온에서 열 Q₁ 을 받아 일 W 를 하고, 나머지 Q₂ 를 저온으로 버린다. 열효율 = W / Q₁ = (Q₁ − Q₂) / Q₁. 버려지는 열 때문에 효율은 절대 100%가 될 수 없다.

1. 직접 해보기

공급 열과 버리는 열을 조절해, 한 일과 열효율을 계산하자. 버리는 열이 적을수록 효율이 높다.

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열기관의 에너지 흐름

양	의미
Q₁	고온부에서 흡수한 열 (연료 연소 등)
W	밖으로 한 일 (Q₁ − Q₂)
Q₂	저온부로 버린 열 (배기가스·냉각수)
열효율	W / Q₁ × 100 (%)

왜 100%가 안 되나

열역학 제2법칙: 열은 저절로 고온→저온으로만 흐르고, 열을 전부 일로 바꾸는 것은 불가능하다. 반드시 일부를 저온으로 버려야 순환이 이어진다. 전환 과정에서 무질서도(엔트로피)가 증가한다. 폐열을 난방·급탕에 재활용하는 열병합 발전으로 총 이용 효율을 80%까지 올리기도 한다.

핵심 열효율 = W/Q₁ = (Q₁−Q₂)/Q₁. 열기관은 반드시 열의 일부를 저온으로 버려야 해서 효율이 100%가 될 수 없다(열역학 제2법칙).