물리 2 - 열에너지

안녕하세요, 설군입니다.

 

물리 2 1단원의 마지막인 열에너지 단원입니다.

 

[[[열은 무엇인가?]]]

 

열은 에너지입니다. 물체의 온도를 변화시키거나 상태를 변화시킵니다.

온도는 에너지가 아닙니다. 물체가 얼마나 차갑고 뜨겁냐를 나타낸 숫자인것이죠

 

[[[열평형이 무엇인가?]]]

 

30도씨인 물체와 50도씨인 물체가 있을경우 50도씨가 더 뜨거운 물체입니다.

 

두 물체를 붙여놓으면 열평형이 일어납니다.

열평형이 일어날때, 열은 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동합니다.

즉 뜨거운 물체의 에너지가 차가운 물체의 에너지로 이동하는것이죠

시간이 지나면 두 물체의 온도는 같아집니다.

 

차가운 물체와 뜨거운 물체를 붙여놓았을 때

차가운 물체의 열이 뜨거운 물체로 이동해서

차가운 물체는 더더욱 차가워지고 뜨거운 물체는 더더욱 뜨거워지는 현상은 없습니다.

 

[[[엔트로피, 열역학 제 2법칙은 무엇인가?]]]

열역학 제 2법칙입니다.

자연 현상은 비가역적인 방향으로 일어난다는 뜻인데

비가역적이라는 것은 엔트로피가 크다는것과 같도

 

엔트로피가 크다는 것은 무질서도가 증가한다는 것과 같습니다.

질서가 없어진다는 것인데요.

 

물체가 온도가 증가한다는것은 물체를 이루는 분자들의 운동에너지가 증가한다는것입니다.

교실에서 아이들이 가만히 앉아있는것보다

아이들이 활동적인것이 운동에너지가 증가한것이라고 생각해보세요.

질서가 없죠. 즉 엔트로피가 증가한것입니다.

 

열

1. 에너지의 한 종류. 물체의 온도나 상태를 변화시키는 원인.

2. 어떤 물체의 온도가 높다는 뜻은, 그 물체를 구성하는 입자들의 운동 에너지가 크다는 것.

3. 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 열이 이동한다.(자연적으로)

4. 물체에서 물체로 열이 이동했을 때, 그 열에너지의 양을 '열량'이라고 한다.

5. 열량의 단위는 J또는 cal, kcal등을 사용한다. 

[[[비열이 무엇인가?]]]

 

 비열은 물질들의 성질입니다.

기본적으로 액체, 고체, 기체 등등 여러 물질을 1 kg을 놓고 비교했을 때

그 물질의 온도를 1 캘빈 높이는 데 필요한 열에너지 양이 비열입니다.

 

즉 같은 1 kg의 물질들이 있을때 비열이 큰 물질은,

그만큼 온도를 높이기가 힘들겠죠.

 

중요한 건. 비열은 단위질량당 이라는것입니다.

 

[[[열용량이 무엇인가?]]]

 

열용량이야말로 중요합니다.

물체의 온도를 올리기 쉽냐 어렵냐는 단순히 비열만 가지고는 판단할 수 없습니다.

 

물이 있을때 물의 양이 적을수록 온도를 올리기 쉽고

물의 양이 크면 온도를 올리기 어려운것이죠.

 

비열이 1인 물질이 100000 kg있을때랑

비열이 100인 물질이 1 kg있을때랑 비교해보면

 

비열이 100인 물질이 양이 적으므로 온도를 올리기 더 쉽습니다.

 

 

이것을 설명하기위해 열용량이라는 물리량을 이용합니다.

열용량은 비열*질량을 말합니다.

 

따라서 비열이 1인 물질이 100 kg있다고 치면 이것의 열용량은 100이고

비열이 100인 물질이 20 kg있다고 치면 이것의 열용량은 2000인것이죠

 

 

 

 

[[[열량이 무엇인가?]]]

 

열평형에서

뜨거운 물체와 차가운 물체가 있을 때

뜨거운 물체에서 차가운 물체로 열이 이동합니다

이때 이동한 열의 양을 구할 수 있습니다.

 

뜨거운 물체가 T2에서 T0로 온도가 변했고

차가운 물체가 T1에서 T0로 온도가 변했다고 칩시다.

 

이때 뜨거운 물체가 잃은 열량은 Q = c m (T2-T0) 로 표현되고

차가운 물체가 얻은 열량은 Q = c m (T0-T1) 로 표현됩니다.

(c, m은 각각 물체들의 비열과 질량)

 

그런데 이 두 열량의 크기는 같습니다.

 

따라서 c m (T2-T0) = c m (T0-T1) 이런식을 세울수도 있고

문제에서 비열을 주거나, 질량을 주거나, 온도를 주거나 했다면

나머지 물리량을 구할 수 있는거죠.

(화학에서 열량 구할때에도 이 식이 이용됩니다.)

 

열량 식 이용, 비열, 열용량 개념 문제

 

 

 

이렇게 풀수있습니다.

 

그런데 재밌는건 열용량에 대해서만 식을세워보면

 

Q=Ca * 온도변화

Q=Cb * 온도변화

인데요

 

여기서 온도변화가 각각 20도씨로 같으니까

Ca와 Cb의 비도 1:1로 같다는걸 알수있습니다.

(이렇게도 풀수있다는거죠)

 

 

전도에 관한 건 공식만 알면 쉽습니다.

 

[[[전도가 무엇인가?]]]

 

 

 

T1이라는 고온부에 막대를 연결시키고

T2라는 저온부에 막대를 연결시킵니다

 

그럼 T1에서부터 에너지가 막대를 타고 막대쪽으로 올것이고

막대를 타고 T2쪽으로는 에너지가 빠져나갈것입니다

시간이 지나면 막대의 중앙부는 열평형이 일어날것입니다

 

이를테면 T1이라는 고온의 물체와 T2라는 저온의 물체가 열평형이 일어났다고 보면 되기도 하고요(막대가 바로 열평형온도)

 

전도에 관한 문제

 

 

이런 식으로 풀면 됩니다.

 

 

 

[[[열전도율이 무엇인가?]]]

 

k는 열전도율인데

열전도율이 클수록 열전도를 잘 하겠죠.

금속의 열전도율은 기체의 열전도율보다 훨신큽니다. 

 

 

사우나는 100도씨인데

공기의 열전도율은 작아서 공기가 사람에게 전달하는 열의양이 작아서 화상을 입진않지만

 

끓는물은 똑같이 100도씨인데

물의 열전도율이 크므로 사람에게 전달하는 열의양이 크니까 화상을 입는것입니다.

 

 

 

대류와 복사는 생략합니다.

 

[[[열팽창이 무엇인가?]]]

열팽창은 물체에 열을가했을 때 물체가 팽창하는걸 말합니다.

고체의 열팽창의 경우 다음과 같습니다.

 

 

 

금속 막대의 경우 길이팽창을 한다고하고

고체가 부피를 가진경우 부피팽창을 한다고합니다.

 

 

알파값은 선팽창 계수, 베타값은 부피팽창계수입니다.

선팽창계수가 클 수록 열을 받았을때 더 많이 길어진다는것입니다.

 

 

바이메탈 문제, 열팽창

 

가열 전에 길이가 같았는데

가열했을 때 B가 더 잘 늘어나고

A는 조금 늘어난다는 것이므로

 

B의 선팽창계수가 더 크고요

 

A와 C중에서는 A가 선팽창계수가 더 큰것입니다.

 

 

 

 

 

 

[[[이상기체 상태방정식 PV=nRT]]]

 

 

화학에서 하도 많이 봐서 아실 것입니다.

그런데 화학에서의 이상기체 단원 문제와 물리학에서의 이상기체 단원 문제는 좀 다릅니다.

 

 

 

온도는 평균 운동에너지에 비례합니다.

ㄱ은 맞는말입니다.

 

ㄴ도 맞는말입니다.

 

 

 

ㄷ도 맞는말입니다.

운동에너지가 2배차이이므로 속력은 루트를씌워주면 됩니다.

 

다음에는 이어서 기체분자운동, 기체분자의 평균운동에너지, 맥스웰-볼츠만 분포, 열역학 1,2,3법칙, 열역학 과정, 열기관에 대해 알아봅시다.