10 장온도와열 Oven Microwave Oven
드릴로금속에구멍을뚫을때 - 끝이뜨겁다. 이유는? 온도란무엇인가? - 한온도와다른온도를어떻게비교하는가? - 무엇이온도를증가하게하는가? 열과온도의차이는무엇인가? - 왜물체가뜨겁게되고, 차게되는가? - 물체가뜨겁거나차가운상태로오랫동안지속하려면어떻게해야하는가?
10.1 온도와측정 온도 : 물체의차고뜨거운정도를수량으로나타낸것 80 40 온도차이때문에두물체사이에교환되는 ( 이동하는 ) 에너지를열 (heat) 이라함 두물체사이에열의교환이이루어지면서로열접촉상태에있다고한다. 서로열접촉한두물체가열의교환을끝낸상태를열평형상태에있다고한다.
열역학제 0 법칙 만일물체 A 와 B 가각각세번째물체, C 와열평형상태이면 이때 A 와 B 는서로열평형상태이다. 온도의측정 - 온도에따라물체의부피가일정하게변하는성질이용하여측정 - 온도계 ( 수은 ) : 물체에접촉 열팽창 열평형 측정 ( 눈금확인 )
온도척도는어떻게발전되었는가? 온도척도 섭씨 ( ) : 물의어는점 0, 끓는점 100 인온도척도 화씨 ( ) : 물의어는점 32, 끓는점 212 인온도척도 화씨에서섭씨로변환 섭씨에서화씨로변환 5 T C ( T F 32) 9 5 T F T C 32 9
절대영도는있는가? 샤를 (Charle) 의법칙 기체의압력이일정할때, 온도가증가함에따라일정하게부피가늘어난다. 절대온도 V T 1 1 V T T K T C 273.2 2 2 T 는절대온도 - 샤를의법칙으로부터역추산하여기체의부피가 0 이 되는온도 (-273.2 ) 를절대온도 0K 로정한온도 Gas1 Gas2 Gas3 h 이상기체상태방정식 PV = Nk B T
고체와액체의열팽창 (thermal expansion) 열팽창 - 온도가증가함에따라물질을이루고있는분자의운동이활발하여져서 길이나부피가늘어나는현상 선팽창 체팽창 L L V V 0 T T 0) ( L α 는선팽창계수이고 L 0 는 T 0 일때길이이다. ( T T V 0 0) β 는체팽창계수이고 V 0 는 T 0 일때부피이다. 0 0 체팽창계수와선팽창계수의관계는 3
고체와액체의열팽창 (thermal expansion)
온도계의종류 열팽창방식 열전방식 (Seebeck effect) 전기저항방식 열방사 (radiation) 방식
열의단위 온도차이때문에두물체사이에교환되는 ( 이동하는 ) 에너지를열 (heat) 이라하기이전 열을물의온도를높이는능력으로서측정되었다. 주울의실험 80 40 120? 역학적에너지가열에너지로변환되는것을실험 - 추가떨어지면서중력위치에너지를소모하고 - 에너지는단열된비이커안의물에서회전날개를돌리고 - 회전날개는물의점성에의한저항력을거슬러일을하고 - 일은온도를상승확인 - 물 1g을 1 올리기위해 4.19J( 주울 ) 의일이필요함발견 1 칼로리 (cal) 란물 1g 을 14.5 에서 15.5 로 1도올리는데 필요한열의양 ( 열량 ) 으로정의되었다. 1 cal = 4.186 J
예제 한학생이저녁으로 2000 Cal 를섭취한다. 그는 50 kg 의역기를들어올림으로서똑같은에너지에해당하는일운동으로하고자한다. 이에너지를전부소모하려면이역기를몇번들어올려야하는가? ( 한번에 2 m 들어올리며, 바닥에내려놓을때는일에너지가없다고가정하자.) W = 2 10 6 cal 4.186J/cal = 8.37 10 6 J W = nmgh = 8.37 10 6 J 1 Cal = 1 kcal n = 8.37 10 6 J (50kg)(9.8m/s 2 )(2m) = 8.54 103 times
10.2 열과비열 뜨거운커피를효율적으로식히는방법은? - 차가운우유를약간넣으면커피의온도를내릴수있다. 온도가서로다른물체나유체가접촉하면? - 차가운물체의온도는증가, 뜨거운물체의온도는감소 - 최종적으로두물체가같은온도에도달한다. - 뜨거운쪽에서차가운쪽으로무언가흘러간다. - 무엇이흘러가는가? 실온 (20 ) 의물 100g 은실온의금속 100g 보다 뜨거운물을식히는데더효과적이다.
비열은무엇인가? 비열 (specific heat) 단위질량의물질을단위온도만큼변화시키는데필요한열의양은물질에따라다르다. - 1g 의물을 1 올리는데필요한열량은 1cal 이다. ( 물질이가지는기본적인성질 ) 비열이 c 이고질량이 m 인물체를 ΔT 올리는데필요한열량 ( 전달된에너지 Q) Q = cm T c = Q m T C = cm
예제 0.05 kg 의금속덩어리를 200 까지가열하였다가 20, 0.4 kg 의물이담겨있는비커에넣었 다. 이때물과금속의최종온도가 22.4 에다달았다면금속의비열은얼마인가? 금속의열에너지변화량 Q = cm T Q M = c M (0.05kg)(22.4 200 ) 물의열에너지변화량 Q w = (4186J/kg ) (0.4kg)(22.4 20 ) Q M = Q w c M = 453 J/kg
열과온도의차이는무엇인가? 열 두물체사이에온도차이가있을때, 한물체에서다른물체로이동하는에너지 온도 : 열이어떤방향으로흐를지를지시하는양이다. - 온도가같은물체는열평형상태, 열이이동하지않는다.
물질이녹거나어는데열이어떻게관여하는가? 상변화 어떤물질에열을가함에따라물질의상태 ( 고체, 액체, 기체 ) 가변화할수있다. - 상변화때에는열을가해도온도가변하지않는다. 이유는? 물체의상이바뀌는데열 ( 잠열 ) 이필요하기때문 Q = cm T 융해잠열 - 얼음 1g 을녹이는데필요한열은 80cal 이다. - 이비율을융해잠열 (L f ) Q ml f 기화잠열 - 물 1g 을끓이는데필요한열은 540cal 이다. - 이비율을기화잠열 (L v ) Q ml v
예제 10.1 ( 문 ) 얼음의비열이 0.5cal/gㆍ 일때, 다음각경우에대해서처음온도가 -10 인얼음 200g에더해야할열의양은얼마나되는가? a. 얼음을녹는점까지올릴때, b. 얼음을완전히녹일때, a. m 200g, c 0.5cal / g C, T 10 C, Q? Q mc T ( 200g)(0.5cal / g C)(10 C) 1000cal r b. L 80cal / g, Q? f m Q ml f Q mlf ( 200g)(80cal / g) 16000cal
10.3 주울의실험과열역학제 1 법칙 주울의실험 역학적에너지가열에너지로변환되는것을실험 - 추가떨어지면서중력위치에너지를소모하고 - 에너지는단열된비이커안의물에서회전날개를돌리고 - 회전날개는물의점성에의한저항력을거슬러일을하고 - 일은온도를상승확인 - 물 1g을 1 올리기위해 4.19J( 주울 ) 의일이필요함발견
열역학제 1 법칙 U : 내부에너지
열역학제 1 법칙 내부에너지 계를이루고있는원자나분자의운동에너지와위치에너지의합이다. 어떤계의내부에너지의증가는 계에더해진열의양에서계가외부에한일의양을뺀것과같다. U = Q W Q = U + W 기체가외부에한일
예제 10.2 ( 문 ) 물과얼음을담고있는비이커에 400cal의열을전달하기위해열판을사용하였다. 동시에물을저어서 500J의일을비이커의얼음물에가하였다. a. 얼음물의내부에너지는얼마나증가하였는가? b. 이과정에서얼마의얼음이녹았는가? a. Q 400cal, W 500J, U? Q ( 400cal)(4.09J / cal) 1680J U = Q W = 1680J 500J = 2180J b. L 80cal / g 335J / g, m? f m U L f 2180J 335J / g 6.5g Q ml f
10.4 기체의거동과제 1 법칙 기체의압축 그림처럼외부힘에의하여피스톤이안으로밀리면피스톤은기체에일을한다. 단면적 A인피스톤의움직인거리가 d이고, 피스톤이가속도없이움직였다면기체에가한일은 W Fd ( PA) d PV 외부에서열이차단되어있다면 ( 단열과정 ) U = Q W - 기체를압축하면, 외부에서일을한것이므로 (W<0) 기체의내부에너지는증가 - 기체가팽창하면, 기체가일을하는것이므로 (W>0) 기체의내부에너지는감소 냉장고의작동원리
내부에너지와온도는어떤관련이있는가? 이상기체 원자간의힘과그에따른위치에너지도완전히무시될정도로작은기체 - 이상기체에서, 내부에너지는운동에너지밖에없다. 내부에너지가증가하면 ( 압축 ) 기체분자의운동에너지증가 절대온도가정비례하여증가 U = Q W 압축이나팽창할때기체의온도를변하지않게하려면 - 내부에너지변화 ΔU=Q-W=0 이므로, Q=W 이어야한다. - 기체에열 Q 가더해지면, 기체는외부에같은양의일 W 를해야한다.
열기구안의기체에는어떤일이일어나는가? 열기구안의기체가가열되면 U = Q W - 온도가아니라압력이일정하게유지된다.( 등압과정 ) 등압과정 : 압력이일정한과정 - 열을가하면 내부에너지증가 온도상승 - 압력이일정해야하므로기체가팽창하여일을하게되고 - 내부에너지가약간내려간다. 이상기체의상태방정식 PV NkT 아르키메데스의원리 여기서 N 은기체의분자의개수, k 는볼쯔만상수이다.
10.5 열의흐름 전도 뜨거운물체에서차가운물체로접촉에의해서전달되는것 같은온도라하더라도열전도도가큰물질은열전달이빨라차갑게느껴진다. 금속조각 > 나무조각 - 둘다실온인금속조각과나무조각을쥐면, 금속조각이차갑게느껴진다.
열전도법칙 열전도율 Q t = ka T x k : 열전도도 (thermal conductivity) T x : 온도기울기 (temperature gradient) L Q t = ka T 2 T 1 L
대류와복사 열의흐름 : 전도, 대류, 복사 대류 열에너지를가진유체가움직이며열을운반하는것 - 방안에서방열기나전열기로부터더워진공기는에너지를실어나르는공기의흐름을만든다. 복사 전자기파가방출되어에너지가전달되는것 - 전자기파를잘흡수하는물질은동시에잘방출도한다. - 보온병에서진공층을지나열에너지를움직이려면복사밖에없다. 벽을은색으로만들면복사를줄일수있다. - 검은물질은여름에는태양에너지를잘흡수하고, 겨울에열을잘잃는다. - 옅은색의지붕이에너지절약관점에서유리
태양열집광판과온실효과 평판태양열집광판의밑은검은색금속판으로단열되어있고, 위는유리나투명한플라스틱으로덮여있다. 태양이방출한전자기파 - 태양열집광판의검은색금속판에서흡수 - 판의내부에너지와온도의상승 - 판에붙은관을지나는물을데운다.( 전도 ) 금속판은적외선을방출유리는적외선방출을차단 ( 온실효과 )