열효율 계산기

계산 입력

Heat Input Q_in (J)

Heat Rejected Q_out (J)

결과

열효율

40%

η = 0.4 (fraction)

Net Work Output Wnet	400 J
Heat Input Qin	1,000 J
Heat Rejected Qout	600 J

열효율이란?

열효율(\(\eta\))은 열기관이 열에너지(공급 열량)를 얼마나 효과적으로 유용한 기계적 일로 바꾸는지를 나타내는 지표입니다. 단위가 없는 무차원 비율이며, 보통 백분율로 표시합니다. 열역학 제2법칙에 따라 일부 열은 반드시 저온부(차가운 열원)로 버려지기 때문에, 실제 열기관 중 효율 100%에 도달하는 것은 없습니다.

열기관은 열 Q_in을 받아들여 정미 일 W_net을 만들고 열 Q_out을 방출한다.

계산기 사용 방법

공급 열량 Q_in(연료 연소 등으로 열기관에 공급되는 에너지)과 방출 열량 Q_out(주위나 저온 열원으로 빠져나가는 에너지)을 모두 줄(J) 단위로 입력하세요. 계산기는 효율을 비율과 백분율로 알려주며, 함께 순(net) 일도 계산해 줍니다.

공식 풀이

순 일은 들어온 에너지와 나간 에너지의 차이입니다: $$W_{net} = Q_{in} - Q_{out}$$ 효율은 공급 열량 중 일로 바뀐 비율을 뜻합니다: $$\eta = \frac{W_{net}}{Q_{in}} = 1 - \frac{Q_{out}}{Q_{in}}$$ 여기에 100을 곱하면 백분율로 나타낼 수 있습니다.

효율은 입력된 열 Q_in 중 유용한 일 W_net로 바뀌는 비율이다.

계산 예시

어떤 열기관이 1000 J의 열을 흡수하고 600 J을 방출한다고 합시다. 그러면 $$W_{net} = 1000 - 600 = 400\ \text{J}$$ 이고, $$\eta = \frac{400}{1000} = 0.40$$ 즉 40%입니다. 이는 공급된 열의 40%가 유용한 일이 되고, 나머지 60%는 버려진다는 의미입니다.

자주 묻는 질문

효율이 100%를 넘을 수 있나요? 아니요. 실제 열기관에서는 \(Q_{out}\)이 항상 0보다 크기 때문에, \(\eta\)는 언제나 1(100%)보다 작습니다.

어떤 단위를 써야 하나요? 두 입력값이 같은 단위이기만 하면 어떤 에너지 단위(J, kJ, BTU 등)든 상관없습니다. 효율은 무차원 값이기 때문입니다.

카르노 효율과는 어떤 관계인가요? 카르노 효율(\(1 - \frac{T_{cold}}{T_{hot}}\))은 이론상 최대 효율입니다. 여기서 측정한 열량으로 계산한 실제 효율은 항상 카르노 효율보다 작거나 같습니다.