좋은 문제이고, 잘 푸신 것 같습니다. 공부를 상당히 잘하시네요. 역시 한방에 끝내기를 들은 학생 답습니다.

결론부터 말하면, 이 문제는 문제에서 주어진 대로 따르는 것이 좋습니다.

과정 2->3 에서 등온 과정인 상태에서 열량이 +104 kJ 라고 주어졌다면 그에 맞춰서 일을 계산해주는 것이 원칙적으로는 맞습니다. 조교님께서 답변해주신 내용도 열역학 1법칙을 근거한 말씀하시는데요. 쉽게 이해하자면, 등온과정에서는 내부에너지의 변화가 상당히 작기 때문에 (이상기체가 아니기 때문에 온도의 변화가 없다고 내부에너지의 변화가 없는 것은 아닙니다. 상당히 값이 적을 뿐!) 받은 열이 일로 전환되고, 받은 일이 열로 전환되는 dE=Q-W=0에서 Q=W 인 것이죠. 때문에 조교님께서 시스템이 일을 받으면 (W<0) 열이 방출되어 주사기가 뜨거워지고 (Q<0), 시스템이 열을 받으면 (Q>0) 일을 하게되는 (W>0) 예를 들어주신 거죠.

다만, 이 과정이 학생들에게 조금 이해가 어려운 부분은 피스톤이 부피가 감소하면서 일을 한다는 결론에 대해서 이해가 매끄럽지 않고 다소 비상식적이기 때문입니다.

설명하자면,

과정 2->3 은 등온과정이면서 부피는 감소하고 압력은 증가하는 결과를 보여줍니다.
부피가 감소하는 피스톤의 boundary work (경계일) 는 음수가 나오는 게 일반적입니다.
왜냐하면
1. 압력값은 항상 양수
2. Wb=pdV 라는 정의
3. 감소하는 부피 (dV=V3-V2<0)
를 고려하면 Wb는 음수, 즉 시스템이 일을 받는 상황이 나오는 것이 일반적입니다.

근데 만약 문제에서 Q를 양수라고 줬다면, 열역학 1법칙에 의해 일(W)의 값이 양수가 나오는데 부피가 줄어들면서 일을 했다는 결론이 도출되죠. 조교님께서는 비록 피스톤 자체는 부피가 줄어들었지만, 암모니아의 압력이 증가하여 일이 증가했다고 말씀하셨는데, 어쨌든 압력이 진공압보다 높은 양수라는 값을 가진다는 것을 감안했을 때, 부피가 감소하는 피스톤에서 양수인 일을 기대하기는 조금 어렵지 않나 생각을 해봅니다.

사실 이 문제는 Moran Shapiro 연습문제에 있는 문젠데, 이 문제에서는 아예 열(Q)값을 -라고 정확히 언급하고 있습니다. 그래서 아래의 풀이에도 저는 보다 상식적인 -라고 열을 간주하고 문제를 풀었습니다.

조교님께서 문제가 이상없고, 주어진 대로 열을 +로 생각해서 풀라고 하면 그렇게 푸세요. 다만, 꼭 물어보셔야 하는 것이 피스톤 실린더의 경계일이 (양의 압력값을 가지는 상황에서) 부피가 줄어들며 때 어떻게 양수가 나올 수 있는지 확인보시면 좋겠습니다.

그리고 학생분께서 문제를 푸시다가 선도 그리는 부분을 다시 확인하셨으면 좋겠고,
State2 에서의 값을 구할 때 왜 superheated table을 보지 않았는지 조금 의문입니다.
한 번 확인하시길 바랍니다.

공부를 잘하고 계시니 계속 이런 식으로 깔끔하게 문제를 푸시면 좋을 것 같고,
조교님도 바쁘시니까 너무 따지듯 여쭙지 말고, 공손하게 질문하시면 더욱 친절하게 답변을 얻으실 수 있을 것 같습니다.
적극적으로 열심히 공부하시는 모습이 참 보기 좋습니다. 건승하시길 바랍니다. 감사합니다.

아래의 풀이를 참조하세요.

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