내부 에너지
물체를 이루는 분자들의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 총합으로, 이상 기체에서는 절대 온도에 따라서만 정해집니다.
열역학과 열기관
열과 일이 기체의 내부 에너지를 바꾸는 과정을 식으로 나타내고, 열기관이 열을 일로 바꾸는 데 한계가 있는 까닭을 분석합니다.
가한 열을 모두 일로 바꾸는 엔진은 왜 만들 수 없을까요?
기체가 하는 일
기체가 일정한 압력 P에서 부피가 ΔV만큼 늘어나면 외부에 W=PΔV의 일을 하며, 압력–부피(P–V) 그래프 아래 넓이가 일의 양입니다.
열역학 제1법칙
기체에 가한 열 Q는 내부 에너지 증가 ΔU와 기체가 외부에 한 일 W로 나뉩니다. Q=ΔU+W, 곧 ΔU=Q−W로 에너지 보존을 나타냅니다.
열역학 과정
부피가 일정하면 일이 0이라 가한 열이 모두 내부 에너지가 되고, 온도가 일정하면 ΔU=0이라 가한 열만큼 일을 하며, 열 출입이 없는 단열 팽창에서는 온도가 내려갑니다.
열기관의 효율
고열원에서 열 Q₁을 받아 일 W를 하고 저열원으로 열 Q₂를 버리는 장치의 효율은 e=W/Q₁=1−Q₂/Q₁이며, 버리는 열이 있으므로 항상 1보다 작습니다.
열역학 제2법칙
열은 저절로 고온에서 저온으로만 흐르고, 한 열원의 열을 모두 일로 바꾸는 순환 기관은 불가능합니다. 절대 온도 T₁, T₂인 두 열원 사이에서 가능한 최대 효율은 1−T₂/T₁입니다.
열과 일로 내부 에너지를 추적하세요.
값을 바꾸기 전에 결과를 예상하고, 모형의 가정과 한계도 함께 생각하세요.
01 / QUESTION기체에 가한 열은 어디로 갈까? 열기관의 효율에는 왜 한계가 있을까?
02 / PREDICT변화의 방향을 먼저 예상하세요.
03 / TEST한 변인씩 조절해 비교하세요.
기체가 한 일 W = PΔV200 J100 kPa × 2 L (1 kPa·L = 1 J)
내부 에너지 변화 ΔU = Q − W+300 J이상 기체의 온도가 올라가요
최대(카르노) 효율 48.0% · 받은 열 Q₁ = 1000 J 가정W 300 J · 버린 열 700 J
e = W/Q₁ = 30%. 절대 온도 T₁ = 573 K, T₂ = 298 K 사이에서 가능한 효율입니다. 실제 기관은 마찰·열 손실로 이보다 더 낮아요.
REAL WORLD / 실제 사례
교실 밖에서는 어떻게 쓰일까요?
안전벨트, 휴대전화 센서와 전력 사용량은 힘·운동·에너지·전기의 실제 사례입니다.
HISTORY OF SCIENCE1791–1867
마이클 패러데이
정교한 실험으로 전기와 자기의 관계를 밝혔습니다.
개념을 확인하세요.
진행 중“기체가 일정한 압력 P에서 부피가 ΔV만큼 늘어나면 외부에 W=PΔV의 일을 하며, 압력–부피(P–V) 그래프 아래 넓이가 일의 양입니다.” 이 설명에 해당하는 개념은?
‘가한 열을 모두 일로 바꾸는 엔진은 왜 만들 수 없을까요?’ 같은 질문에 과학적으로 답하는 방법으로 알맞은 것은?
탐구할 때 가장 바람직한 태도는?
‘가한 열을 모두 일로 바꾸는 엔진은 왜 만들 수 없을까요?’에 대해 핵심 개념 두 가지와 실제 사례 하나를 사용해 3–5문장으로 설명하세요.
과학 탐구 보고서
질문에서 개선점까지 과학 탐구의 전 과정을 기록합니다. 내용은 현재 기기에 저장됩니다.
이 주제를 쓰는 학년 단원
학년 수준에 맞춰 이 핵심 개념을 다시 배우는 단원이에요.