「역학과 에너지」 열의 출입과 일로 내부 에너지 변화와 열기관의 효율을 분석합니다.
고2 수준에 맞춰 이 단원에서 꼭 알아야 할 내용을 정리했어요.
열역학 제1법칙에 따르면 기체가 받은 열 Q는 내부 에너지 증가량 ΔU와 기체가 외부에 한 일 W의 합이에요(Q = ΔU + W).
이상 기체의 내부 에너지는 절대 온도에 비례하므로, 온도가 일정한 등온 과정에서는 ΔU = 0이라 흡수한 열이 모두 일로 쓰여요.
압력 P가 일정할 때 부피가 ΔV만큼 늘면 기체가 한 일은 W = PΔV이며, 압력-부피 그래프 아래의 넓이와 같아요.
열 출입이 없는 단열 과정(Q = 0)에서 기체가 팽창하면 한 일만큼 내부 에너지가 줄어 온도가 내려가고, 압축되면 온도가 올라가요.
열기관의 열효율은 e = W ÷ Q₁ = 1 − Q₂ ÷ Q₁이에요. 열역학 제2법칙에 따라 저열원으로 방출하는 열 Q₂가 0일 수 없어 효율 100 %인 열기관은 만들 수 없어요.
압력이 2×10⁵ Pa로 일정한 기체에 열 1000 J을 가했더니 부피가 2×10⁻³ m³만큼 늘었어요. 기체가 한 일과 내부 에너지 변화량은 얼마일까요?
답기체가 한 일 400 J, 내부 에너지 600 J 증가
한 번 순환할 때 고열원에서 열 800 J을 흡수하고 저열원으로 열 600 J을 방출하는 열기관이 있어요. 이 열기관이 한 번 순환하며 한 일과 열효율은 얼마일까요?
답한 일 200 J, 열효율 25 %
디젤 엔진은 실린더 속 공기를 빠르게 압축해(단열 압축) 온도를 연료의 발화점보다 높인 뒤, 연료를 뿜어 넣어 점화 플러그 없이 불을 붙여요.
수학적 모형과 불확실성을 고려해 과학적 주장을 논증합니다.
배운 개념이 주변에서 실제로 맞는지 관찰하고, 핵심 용어로 설명해 보세요.
주사기 속 공기를 빠르게 압축할 때 온도가 오르는 까닭을 열역학 제1법칙으로 설명한다.
자동차 엔진의 에너지 흐름도에서 일로 전환된 비율과 열로 빠져나가는 비율을 계산한다.
냉장고가 낮은 온도의 내부에서 높은 온도의 외부로 열을 옮기려면 외부에서 일을 해 주어야 하는 까닭을 정리한다.
이 사이트가 정한 단원별 학습 목표예요. 국가 교육과정의 공식 성취기준이 아니에요.
열역학 제1법칙(Q = ΔU + W)으로 기체의 내부 에너지 변화를 계산할 수 있다.
열기관의 효율을 흡수한 열과 한 일로 구하고, 효율이 100 %가 될 수 없는 까닭을 설명할 수 있다.
바꾼 조건: 열효율 25 %인 열기관이 흡수한 열(100·200·300·400 J) · 측정한 값: 열기관이 한 일 (J)
| 열효율 25 %인 열기관이 흡수한 열(100·200·300·400 J) | 열기관이 한 일 (J) |
|---|---|
| 조건 1 | 25 |
| 조건 2 | 50 |
| 조건 3 | 75 |
| 조건 4 | 100 |
자동차 엔진은 연료가 내놓은 열을 왜 모두 일로 바꾸지 못할까요?
‘열역학과 열기관’ 핵심 단원: 열과 일이 기체의 내부 에너지를 바꾸는 과정을 식으로 나타내고, 열기관이 열을 일로 바꾸는 데 한계가 있는 까닭을 분석합니다.
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