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Chapter 18. Chapter 18. 온도, 열, 열역학 제 1 법칙

1. 역학: 물체의 운동과 역학적 에너지의 변화를 다룸뉴턴의 운동법칙을 따름

2. 열역학: 물체의 내부 에너지의 변화를 다룸열역학의 법칙을 따름

열은 높은 온도의 물체로부터 저절로 낮은 온도의 물체로 흐르고, 반대로는 흐르지 않는다.

온도 (temperature) : 물질을 이루는 분자들의 평균 운동에너지에 관련되는 물리량

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18-3 열역학 제 0 법칙

두 물체 A와 B가 다른 물체 T와 열 평형을 유지하면,

이 두 물체끼리도 열 평형을 이룬다.

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18-4 온도의 측정

절대온도 (Kelvin: K)

3K

273.16K

윌리엄 톰슨 켈빈 경(영국, 1824-1907)

NOTE: K=0 is “absolute zero”, meaning (almost) zero KE/molecule

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온도 눈금의 기준 설정

재현성이 매우 우수함

물의 삼중점 온도 (표준 고정점 온도)

T 3 ≡ 273.16 K = 0,01 oC

물의 삼중점 : 물 (액체), 얼음 (고체), 수증기 (기체) 가 열적 평형상태에서 공존할 때

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일정부피 기체 온도계

T = Cp

0(273.16 ) lim

gaso

pT Kp→

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

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절대온도(Kelvin: K); 섭씨(Celsius: oC); 화씨(Fahrenheit: oF)

( )

273-KC 273CK

32-F95 C 32 C

59 F

=+=

=+=

Water boils

Water freezes

212

32

Farenheit

100

0

Celcius

273.15

373.15

Kelvin

180 100 100

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18-6 열 팽 창

길이 팽창:

부피 팽창:

(a) 2=3>1>4

(b) 3>2>1=4

(a) 수직 방향의 높이 증가가 큰 순서대로

(b) 면적 증가가 튼 순서대로

Bimetallic strip :

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길이 팽창:

부피 팽창:

20oC 에서 몇 가지 물질의 선팽창계수 α 와 부피팽창계수 β (단위는 10-6 K-1 )

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18-7 온도와 열

높은 온도의 물체와 낮은 온도의 물체를 접촉시키면 열이 높은 온도의 물체로부터 저절로낮은 온도의 물체로 흐르고 반대로는 흐르지 않는다.

온도변화의 원인: 물체가 주위환경과 열에너지(내부에너지)를 주고받기 때문이다.

열에너지 Q (내부에너지)

정의 : 물체를 이루는 원자/분자의 미시적 운동에너지와 위치에너지를 모두 더한 양

단위 : (calorie; cal)1 cal = 물 1 g 의 온도를 14.5 oC 에서 15.5 oC 로 올리는데 드는 열에너지

= 4.186 J1 Cal = 1 kcal

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18-8 고체와 액체에 의한 열흡수

열용량 (Heat Capacity) : C

물체가 흡수한 열에너지와 온도변화 사이의 비례상수 C　

= 물체를 단위 온도 높이는데 드는 열량

비열 (Specific Heat) : c = C/m

단위질량당 열용량

몰비열 (Molar Specific Heat)

(1 mol = 6.02×1023 개의 단위 요소)단위 몰당 열용량

상전이 열 (Heat of Transformation)

단위질량당 물질의 상태가 변하는데 드는 열에너지

기화열(heat of vaporization) LV : 액체에서 기체상태로 바꾸는데 드는 열에너지

융해열(heat of fusion) LF : 고체상태에서 액체상태로 바꾸는데 드는 열에너지

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상전이 도표 (Phase Diagrams)

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몇 가지 물질의 비열 (1기압 20oC에서 측정됨)

물의 비열이 어떤 다른 물질의 비열보다도 더 크다. 비열이 더 큰 물질은 온도를 변화시키기 위해서 더 많은 열량이 필요하다. 그래서 해안지방에 서는 여름이나 겨울 사이에 기온의 변화가 그리 크지 않고 대륙지방에서는 여름과 겨울의 기온에 큰 차이가 있는 것은 모두 물의 비열이 매우 크기 때문이다.

물(15oC) 4.2

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18-9 열과 일

기체가 팽창하면서 피스톤에 해준 일에너지

처음 상태 (i) : ( pi Vi Ti )나중 상태 (f) : ( pf Vf Tf )

ds

기체

열 저장고

경로에 따라, 열과 일의 양이 다르다.

i f 로 가는 경로는 무수히 많다.

Ti Ta

W

Q

열역학적 순환과정

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18-10 열역학 제 1 법칙

그러나, ( Q - W ) 는 경로에 무관하다.

즉, 오직 처음(initial)과 나중(끝, final) 상태에 따라서 결정된다.

( Q - W )은 물체의 고유한 특성이며, 내부 에너지의 변화량 ΔEint 라고 정의한다.

열에너지(Q)와 일(W)의 양은 경로에 따라 다르다.

int int, int,f iE E E Q WΔ = Δ −Δ = −열역학 제 1 법칙 :

intdE dQ dW= −

계의 내부에너지는 열(Q)의 형태로 에너지가 더해지면 증가하고계가 일(W)을 외부로 해 주면 감소한다.

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확인문제

c 와 e (시계방향으로 순환 시 면적이 최대)

(a) 같다 (ΔEint 는 경로에 무관) (b) 4, 3, 2, 1 (곡선 아래 면적 순서) (c) 4, 3, 2, 1

4. 기체의 상태 경로 p-V 곡선에서순환과정 동안 기체가 한 일이 최대가되는 닫힌 경로 두 개는?

5. 다음의 양이 큰 순서대로 나열(a) 기체 내부 에너지 변화 (ΔEint)(b) 기체가 한 일 W(c) 기체에 전달된 열 에너지 Q

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18-11 열역학 제 1 법칙의 특수한 경우

1. 단열과정 (Adiabatic process)

물체의 상태 변화가 아주 빨리 일어나거나 아주 잘 절연된 채 진행되어,물체가 열을 흡수하거나 방출하지 못하는 경우.

2. 일정 부피 과정(Constant-volume process)

물체의 상태가 바뀌는 동안 물체의 부피가 일정하게 유지는 경우.

3. 순환과정 (Cyclic process)

물체의 상태가 여러 과정을 거쳐 처음상태로 되돌아오는 경우.

4. 자유팽창 (Free expansion)

물체가 일을 하지 않는 단열과정.

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확인문제

6. 순환과정에서,

(a) 내부에너지 변화량 ΔEint 의 부호는?

(b) ΔQ 의 부호는?

(a) zero (closed cycle)

(b) negative (Wnet is negative)

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18-12 열 전달전도 (Conduction), 대류 (Convection), 복사 (Radiation)

1. 전도(Conduction) : 원자들 간 충돌(진동)을 통해 열에너지가 전달되는 방법

( )cond H CQ AP k T Tt L

= = −

열 전도율 (단위시간당 열전달 율) :

k : 열 전도도 (W/m.K)

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여러 물질을 통한 열전도(Conduction)

열 에너지의 흐름이 일정한 경우정상상태 (steady state)인 경우

( ) ( )2 12 1

1 2 2 1

1 2 2 1

cond H X X C

C HX

A AP k T T k T TL L

k L T k L TTk L k L

= − = −

+=

+

두 물질의 경계면 온도를 Tx 라 하면,

( ) ( )1 1 2 2/ / /

H C H Ccond cond

i i

A T T A T TP P

L k L k L k− −

∴ = ⇒ =+ ∑

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2. 대류 (Convection) : 유체의 흐름을 타고 열에너지가 전달되는 방법

• Air heats at bottom• Thermal expansion…density gets smaller• Lower density air rises

– Archimedes: low density floats on high density• Cooler air pushed down• Cycle continues with net result of circulation of air• Practical aspects

– heater ducts on floor– A/C ducts on ceiling– stove heats water from bottom– “riding the thermals” heater

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3. 복사(Radiation) : 물체가 내는 전자기파에 실려 열에너지가 전달되는 방법

4radP ATσε=에너지 복사율 :

σ = 5.6703×10 - 8 W/(m2․K4 )(Stefan-Boltzmann 상수)

ε: 방사율 ( emissivity; 0 ≤ ε ≤ 1)(흰 물체: ε ≈ 0, 흑체: ε ≈ 1)

The Earth has a surface temperature around 270 K and an emissivity of 0.8, while space has a temperature of around 2 K. What is the net power radiated by the earth into free space?

(Radii of the Earth and the Sun are Re = 6.38×106 m, Rs = 7×108 m.)

( )( )( )( )4428 22708.041076.5 −×= −earthRπ

Watts1023.1 17×=

Pnet = Prad - Pabsorb = εAσ(T4 - T04)