스털링 기관의 열효율에 대한 설명방식 및 대학생들의 사고과정 분석 (An Analysis of the Explanations and Undergraduate Students’ Thoughts on the Efficiency of Stirling Engines)

서지정보

· 발행기관 : 한국물리학회
· 수록지 정보 : 새물리 / 59권 / 3호 / 229 ~ 239페이지
· 저자명 : 이주현, 송진웅

초록

본 연구의 목적은 ‘두 열원 사이에서 가역적으로 작동하는 열기관의 효율은 모두 동일하다.’는 서술과 ‘이상적인 스털링 기관은 가역적으로 작동한다.’는 서술, 그리고 ‘이상적인 스털링 기관의 효율은 카르노 기관보다 낮다.’는 세 서술 사이의 모순 관계를 해결할 수 있는 스털링 기관의 열효율에 대한 설명 방식을 조사하고, 이 문제에 대한 대학생들의 사고 과정을 살펴보는 데 있다. 연구 참여자는 열 및 통계물리 과목을 수강하는 24명의 물리교육 전공 학생들이다. 스털링 기관의 열효율에 대한 설명 분석에 따르면, 스털링 기관은 재생기의 도움 없이는 두 열원 사이에서 가역적으로 작동할 수 없으며, 재생기가 없는 경우에 스털링 기관의 열효율은 카르노 기관보다 낮다. 하지만 재생기를 도입하면 스털링 기관과 카르노 기관의 효율이 동일함을 증명할 수 있다. 학생들은 스털링 기관이 가역적으로 작동하는지의 여부를 결정하기 위해 시스템의 엔트로피에 대해 주로 논의하였으나, 엔트로피와 가역과정 사이의 관계에 대해서 잘 알지 못하였다. 모순 상황에 대해서도 단순히 스털링 기관은 비가역적으로 작동한다고 답하거나 잘 모른다고 응답한 경우가 많았다. 가역과정에 대한 적절한 설명과 함께 이 문제를 해결한다면, 학생들의 열역학 관련 개념들에 대한 이해도가 높아질 것으로 기대된다.

영어초록

The purpose of this study was to find out the explanations for how to solve the contradiction among the three statements suggesting 1) all reversible heat engines operating between two reservoirs have the same efficiency; 2) ideal Stirling engine operates reversibly; and 3) the efficiency of Stirling engine is lower than the efficiency of Carnot engine, as well as to analyze undergraduate students’ thoughts about this contradiction. The participants were 24 students who were taking a university course on thermal and statistical physics. Our analysis about the explanations of Stirling engine efficiency showed that Stirling engine which had no regenerator could not operate reversibly between two reservoirs and the heat efficiency of the Stirling engine was lower than that of Carnot engine. However, Stirling engine having a regenerator could operate reversibly and the efficiency was the same as Carnot engine. The analysis of students’ responses showed that most students considered the entropy of Stirling engine as the most important factor in determining whether the Stirling engine operates reversibly or not. However, they did not understand well the relation between entropy and the reversible process. Many of them also offered answers about the solution of the contradiction as either ‘Stirling engine cannot operate reversibly,’ or ‘I simply don’t know.’ If this contradiction is closely discussed with deep consideration of the reversible process, students’ understanding of the thermodynamic concepts might be improved.

참고자료

· 없음