온도와 열에너지

온도

온도는 차가운 정도와 뜨거운 정도를 나타낸다.

A와 B 사이에 열이 이동하지 않으면, A와 B는 열적으로 평형상태에 있다.

이러한 평형상태에 도달하면 두 영역은 온도가 같다고 말한다.

온도란 두 영역이 열적으로 평형을 이루고 있는지를 나타내는 척도다.

http://www.youtube.com/watch?v=vqDbMEdLiCs http://www.nasa.gov/topics/earth/features/2011-

temps.html

온도계

온도계 (이상기체를 이용하자)

샤를에 의하면, 압력이 일정하면, 기체의 부피는 온도에 비례한다.

기체의 부피가 0이 되는 온도가 존재한다. 이 온도를 절대영도 (0K)로 부르기로 하자.

이상기체가 팽창하는 정도에 따라 온도를 정의하자. 물질에 상관없이 온도를 정의할 수 있다.

켈빈의 절대온도 (K) = 273.15 + 섭씨온도

정적 기체 온도계

온도의 표준

초기의 온도계는 물이 어는점과 끓는점을 이용하여 온도의 스케일을 정하였다.

1954년에는 자연에 존재하는 유일한 상태인 물의 삼중점을 이용하여 온도의 표준을 정했다.

물의 삼중점은 압력이 610Pa (0.0061기압)일 때 물과 수증기, 얼음이 공존하는 단일 온도 상태다.

물의 삼중점의 온도를 섭씨 0.01도 = 273.16K로 정의했다.

삼중점과 절대영도 사이의 간격으로 온도의 스케일이 결정된다.

색다른

온도계

http://www.grc.nasa.gov/WWW/StructuresMaterials/DPC/facilities/plasma.html

http://libraryphoto.cr.usgs.gov/cgi-bin/show_picture.cgi?ID=ID.%20HVO%20324ct

http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/infrared.html

이상기체의 상태방정식 이상기체는 기체 분자들 사이에는 전혀 힘이 작용하지 않는다.

이상기체의 상태방정식이 알려주는 의미는 무엇인가?

분자의 속도가 바뀐다.

상자의 벽이 힘을 작용한다.

벽이 작용하는 힘=?

벽이 작용하는 압력=?

분자가 가지는 운동에너지로 압력을 표시하자.

분자의 운동에너지

R은 기체상수, n은 몰수, N은 입자의 수

운동에너지 (KE )가 온도로만 결정된다.

이상기체가 작용하는 압력 = 기체를 담고 있는 벽이 작용하는 압력

= n몰 기체의 개수

=볼츠만 상수

질소분자의 속력

질소분자가 상온에서 가지는 운동에너지를 알아보자. 이 분자의 평균속력은 얼마인가?

비열

비열은 열을 가하면 물체의 온도가 올라가는 정도를 비교하는 양이다. 물의 비열 4186 J/(kg℃)

철의 비열은 448 J/(kg℃) 이다.

http://www.youtube.com/watch?v=hyPLusD-tyM

이상기체의 비열 기체의 종류에 상관이 없다.

보통 1몰의 기체에 대한 비열을 얘기한다.

정적비열과 정압비열을 구분한다.

단원자 분자 1몰의 정적비열 = (3/2) R

2원자 분자 1몰의 정적비열은 온동에 따라 다르다.

이상기체의 내부 에너지

기체 분자가 가지고 있는 에너지를 내부에너지라고 부른다.

기체의 종류에 상관이 없다.

단원자 분자와 다원자 분자의 차이 단원자 분자 (헬륨이나 네온)는 직선운동하는 운동에너지만이 존재한다.

이원자 기체 (산소나 질소)는 직선 운동에너지 이외에도 회전 운동에너지, 진동에너지 등을 가질 수 있다.

상전이와 열

20℃의 물을 –10℃의 얼음으로 바꾸려면 열량이 얼마나 빼내야 할까?

기체는 일을 할 수 있다.

기체가 열을 받으면 팽창한다.

기체가 팽창하면 외부에 일을 하게 된다.

기체의 압력이 외부에 작용하여 일을 하기 때문이다.

외부로부터 열에너지를 공급받으면, 일부의 에너지는 외부에 일을 하는데 쓰이고, 일부의 에너지는 기체 자체의 내부에너지를 증가시키는데 쓰인다.

열역학 제1법칙

열을 포함하여 에너지가 보존된다는 것을 표현한다.

기체가 외부로부터 열에너지를 공급받으면, 일부의 에너지는 외부에 일을 하는데 쓰이고, 일부의 에너지는 기체 자체의 내부에너지를 증가시키는데 쓰인다.

이상기체의 정압비열

압력을 일정하게 유지하면 기체가 외부에 일을 해주는 것을 고려해야 한다.

단원자 분자 1몰의 정압비열 = 정적비열+R

기체 1몰이 외부에 해주는 일

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(1) 방안에 책과 도자기, 금속 박스가 방안에 오래 놓여 있다. 이들은 서로 열평형을 이루고 있으므로, 그들의 온도는 같아야 한다. 그런데도 책과 도자기, 금속 박스를 손으로 만지면 차가운 정도가 다르다. 온도가 같아도 차가운 정도가 다르게 느껴지는 이유는 무엇일까? 나무로 된 문에 쇠로 된 문고리가 달려있다. 나무로 된 문과 쇠로 된 문고리 역시 온도가 같아야 한다. 한 겨울에 젖은 손으로 문고리를 만져보자. 손이 문고리에 찰싹 들러붙는다. 젖은 손으로 나무문을 만지면 이런 문제가 생기지 않는다. 온도가 같은데도 왜 이렇게 다르게 반응하는 것일까?

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(2): 집안에서 온도를 잴 때 온도를 재는 곳마다 온도가 다르다. 물론 집 안의 온도는 집 밖의 온도와 다를 수 있다. 이처럼 지역마다 다른 온도를 얘기한다면, 온도를 어느 정도 작은 영역에서까지 얘기할 수 있을까? 온도가 급격하게 변하는 경우에는 얼마나 빨리 변하는 경우까지 온도를 얘기할 수 있을까?

(3) 정적기체 온도계의 경우 부피를 일정하게 유지하는 방법을 알아보자.

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(4): 온도계의 눈금을 정할 때 우리는 왜 자연에 존재하는 유일한 상태를 기점으로 표준을 정의하려는 것일까? 물의 삼중점이나 이상기체가 알려주는 절대영도는 얼마나 보편성을 띠고 있는가? 우리가 직접 가볼 수 없는 우주의 모든 지점에 대한 온도는 어떻게 정밀하게 측정할 수 있는가? 서로 다른 온도계를 사용하는 외계인 사이에서는 온도를 어떻게 서로 정의하고 소통할 수 있을까? (섭씨온도계와 화씨온도계를 사용하는 두 지구인 사이에 소통하는 방법을 참조하자.)

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(5) 다이버가 수심 10m 물속에서 지름 10mm인 공기방울을 내뿜는다. 이때 물속의 수온은 섭씨 5 도이다. 이 공기방울이 호수의 표면에 도달하면 얼마나 커질까? 호수 표면의 수온은 20도다. 수심 10m에서 잠수부가 호흡을 멈춘 상태로 수면으로 올라온다면 폐는 어떻게 변할까? 스쿠버 다이빙의 경우 숨쉬는 것을 멈추지 말라고 조언한다. 그 이유는 무엇일까?

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(6) 태양 표면의 온도는 6000K 다. 태양 표면에서 헬륨기체와 수소원자 기체의 속도를 알아보자.

(7) 동위원소는 같은 원소이나 질량이 다른 원자이다. 동위원소인 우라늄을 분리하기 위해 우라늄(U)을 불소(F)와 화합결합시켜 기체로 만들었다. 상온 (300K)에서 우라늄 238과 우라늄 234로 만들어진 의 속력의 차이는 얼마나 날까?

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(8) 나무 조각과 반짝이는 금속이 뜨거운 햇볕에 놓여 있다. 비열은 나무 조각이 금속보다 크다. 그런데도 손을 대면 금속이 더 뜨겁다. 왜 그럴까?

(9) 지구의 바다와 육지는 비열이 다르다. 햇빛을 받아 온도가 올라가는 정도가 바다와 육지가 다르다. 낮에는 바닷바람이 밤에는 육지바람이 부는 이유를 설명해보자. (힌트: 지상의 공기는 햇빛으로 데워지는 효과는 무시할 수 있다. 바다와 육지가 발산하는 열에 의해 데워지는 효과가 가장 크다.)

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(10) 압력밥솥은 일반밥솥의 차이를 알아보자. (힌트: 정압비열과 정적비열의 차이에 주목하자.)

(11) 0℃, 1기압에서 물의 밀도는 1000 kg/ 이고, 얼음의 밀도는 920 kg/ 이다. 1kg의 물이 얼음으로 변할 때 물이 한 일은 얼마인가? 이때 물이 외부에 빼앗긴 열을 얼마인가? 이 결과를 써서 물이 얼음으로 변할 때 생긴 내부에너지 변화를 구해보자.

알아보기 (12) 지상의 기체에 존재하는 산소와 질소분자는 이원자 분자다. 이들은 병진운동에 의한 운동에너지와 회전운동에 의한 운동에너지를 가지고 있다. 이에 비해 이산화탄소 는 3개의 원자로 구성되어 있고, 메탄는 5개의 원자로 구성되어 있다.

상온 (300K)에서 정압비열은 산소분자: 0.918 kJ/kg.K, 질소분자: 1.040 kJ/kg.K, 이산화탄소: 0.846 kJ/kg.K , 메탄: 2.226 kJ/kg.K 다. (정압비열을 1몰의 비열로 바꾸어 생각해라.)

정압비열을 이용하여 기체분자들이 가지는 에너지를 알아보자. 내부에너지는 각 분자들의 내부운동에 대해 어떤 얘기를 해주는가?