vi. 에너지와 환경

VI. 에너지와 환경

VI-1. 에너지와 문명1. 에너지의 전환과 보존

1. 에너지의 전환과 보존

에너지란 무엇인가 ? 일을 할 수 있는 능력 자연 현상을 쉽게 이해할 수 있는 열쇠

에너지는 생성되거나 소멸되는 것이 아니라 전환 과정에서 형태만 변할 뿐임을 안다 .

에너지가 전환되는 과정에서 전체 에너지의 양은 항상 보존됨을 설명할 수 있다 .

Ⅵ-1. 에너지와 문명

위성이 촬영한 한반도와 주변 지역의 야경

에너지의 종류 우리 생활 주변의 에너지 - 빛에너지 , 소리 에너지 ,

열에너지 , 전기 에너지 , 화학 에너지 , 위치 에너지 , 운동 에너지 등



에너지의 종류 역학적에너지 – 운동에너지 , 위치에너지

1. 만유인력에 의한 위치에너지 : ( 태양과 행성사이 )

2. 역학적에너지 보존 :


에너지의 종류 핵에너지 – 원자핵과 관련된 에너지

1. 방사성에너지 : X 선 , α, β, γ 방사선이 갖는 운동에너지 , 불안정한 원자핵이 갖는 핵에너지로부터

나옴

2. 핵융합에너지 : 고속의 원자핵들이 충돌하여 융합하는 과정에 서 방출하는 에너지 , 별 ( 태양 ) 내부 , 초고온 초고밀도 상태

3. 핵분열에너지 : 핵분열과정에서 여분의 에너지 방출 , 원자력에너지

태양


자연 현상에서의 에너지 전환과 이동

케플러 제 2 법칙과 역학적 에너지 보존 - 그림과 같은 타원 궤도를 돌고 있는 행성이 있다 .

(1) 행성의 속력이 가장 빠른 위치는 ?

(2) 만유인력에 의한 위치 에너지가 가장 작은 위치는 ?

(3) 행성의 속력이 느려지는 구간은 ?

(4) 행성의 역학적에너지가 가장 큰 위치는 ?

B

A

D

C


자연 현상에서의 에너지 전환과 이동

열에너지 운동에너지

지구내부열에너지 역학적에너지 ? 에너지

역학적에너지 지구내부에너지 탄성에너지

Ⅵ-1. 에너지와 문명 활의 탄성 에너지 ⇒ 화살의 운동 에너지 활을 잡아당기는 데 한 일은 활에 탄성 에너지로 저장 화살을 놓는 순간 활에 저장되어 있던 탄성 에너지는

화살의 운동 에너지로 변환

김홍도의

활쏘기

여러 가지 에너지의 전환과 이용 형태


인간 동력 자동차 (Human Car)Ⅵ-1. 에너지와 문명

좌석 앞에 있는 손잡이를 노를 젓듯이 밀고 당길 때 발생하는 에너지로 움직인다 .

2. 태양 에너지의 이용과 문명 태양 에너지와 화석 연료가 지구의 가장 중요한 에너지원임을

설명할 수 있다 . 인류 문명의 발전과 함께 에너지의 전환 기술이 발전해왔음을

설명할 수 있다 . 태양 에너지로부터 전환된 다양한 에너지의 형태와 이용 사례를

설명할 수 있다 .

태양 에너지의 전환 지구계 각 권의 상호 작용을 일으키는 태양 에너지 , 지구

내부 에너지 , 조력 에너지 등이 있다 . 태양 에너지는 지구 모든 에너지의 근원으로 가장 많은 양을

차지한다 . 강수 , 파도 , 바람 , 광합성 , 화석 연료 등은 태양 에너지가

근원이다 .


- 에너지의 사용과 문명의 발달Ⅵ-1. 에너지와 문명

인류의

에너지

소비와

생산량

활동 4 다양한 발전 방식과 태양 에너지는 어떤 관계일까 ?Ⅵ-1. 에너지와 문명

수력 발전


- 화력 발전 -Ⅵ-1. 에너지와 문명

터빈 발전기

화학에너지 → 열에너지 → 터빈의 운동에너지 → 발전기 전기에너지

태양열 발전


미국 NASA 에서 만든 태양전지 비행기 (Helios) 가 2001.08.13 에 96,500 피트까지 상승하는 신기록을 세움

태양광 발전Ⅵ-1. 에너지와 문명

우리별 1 호의 태양 전지

태양광 발전Ⅵ-1. 에너지와 문명

각 발전소의 장단점- 활동 결과 -구분 장점 단점

수력 발전 ․ 공해가 적으며 발전 단가가 적게

듬

․ 입지에 제한 , 송전 거리가 멀다 .

․ 담수량이 풍부하지 않으면 발전할 수 없음

화력 발전

․ 소비지 가까운 곳에 건설 ․ 건 설 비가 비교 적 적 게 들 고 ,

전기를 안정적으로 생산

․ 연료비가 많이 들어 발전 단가가 비쌈 ․ 대기 오염을 일으킴

태양열 발전

․ 공해가 없고 자원 고갈의 염려가 없음

․ 흐린 날이나 밤에는 발전 어려움 ․ 넓은 장소가 필요함

태양광 발전

․ 태 양 광 에 너 지 를 바 로 전 기 에너지로 전환하므로 발전기와 같은 시설이 필요 없음 ․ 공해 없고 , 자원 고갈의 염려가

없음

․ 흐린 날이나 밤에는 발전이 어려움 ․ 태양 전지 ( 반도체 ) 를 설치할 넓은

면적 필요

풍력 발전


조력 발전 ( 프랑스 )


- 2009 년 완공- 해양부 , 울돌목 등 타당성 조사 (2010 년 )- 상용 타당성 없어 연내 철거 밝힘 (2011 년 )- 2017 년까지 상용화가능성 더 연구

- 조류발전은 댐이 필요한 조력발전과 달리 물살이 빠른 해협에 수차를 설치해 발전하는 개념으로 현재까지는 이순신 장군의 명량대 첩으로 유명한 울돌목이 최적지로 평가

- 울돌목 조류 발전 본격 추진 [ 한국일보 2001. 7. 19. ]


양수 발전Ⅵ-1. 에너지와 문명

3. 에너지 효율 에너지 전환 과정의 효율을 이해하고 , 영구 기관을 만들 수

없는 이유를 설명할 수 있다 . 에너지가 보존됨에도 에너지를 절약해야 하는 이유를 설명할

수 있다 .

열기관 (Heat Engine) 열에너지를 역학적 에너지 즉 , 일로 변환시키는 장치 영국의 제임스 와트는 열기관인 증기 기관 개량 - 산업 혁명이 시작되는 데 큰 역할

일률의 단위로 마력 (HP) 처음 사용


3. 에너지 효율

열효율 (e) 공급한 열량 (Q) 에 대해 일 (W) 로 전환된 양의 비율 온도가 높은 고열원에서 Q1 의 열을 흡수하여 외부에 W

의 일을 하고 , 낮은 온도의 저열원으로 Q2 의 열을 방출하는 열기관


열효율 × 100 (%)

- 외연 기관과 내연 기관Ⅵ-1. 에너지와 문명

기관 ( Engine) 외연기관 – 증기기관 증기터빈

내연기관 – 자동차엔진 , 디젤 , 가솔린 등열효율이 높다 .

증기 기관Ⅵ-1. 에너지와 문명

내부 에너지 모든 물질에는 여러 종류의 많은 양의 에너지가 감추어져 있

다 . 책을 구성하는 종이에도 분자들의 운동 에너지와 종이를

구성하는 분자들 사이의 상호 작용에 의한 위치 에너지가 들어 있다 .

종이를 태울 때 열이 발생하는 사실에서도 알 수 있듯이 화학 에너지도 저장되어 있으며 , 원자핵 속의 결합 에너지 등이 있다 . 한 물체를 구성하는 물체 내의 분자들이 갖는 운동 에너지와

위치 에너지의 합 - 내부 에너지 열현상이 일어나는 경우 - 기체의 부피가 일정할 때 기체의

내부 에너지는 온도에 비례


우주의 에너지 총량은 불변 에너지 전환 과정에 관련된 에너지의 총량은 보존 열역학 제 1 법칙은 열의 관점에서 본 에너지 보존 법칙

역학적 에너지 = 운동 에너지 + 위치 에너지마찰이나 공기 저항 등이 작용하지 않을 때 역학적 에너지도

보존 - 역학적 에너지 보존 법칙

- 에너지 보존Ⅵ-1. 에너지와 문명


열을 포함하여 에너지의 전환 과정에서 총량이 불변한다는 에너지 보존 법칙이 성립

외부에서 열기관의 기체에 가한 열에너지 = 내부에너지 증가 ( 온도 ) + 한 일의 양 ( 기체의 부피증가량 )

- 열역학 제 1 법칙은 에너지 보존 법칙의 또 다른 표현

열 현상과 역학적 현상이 동시에 발생하더라도 , 이 과정에 관련된 모든 에너지의 합은 일정하게 보존

열역학 제 1 법칙


엔트로피 증가의 법칙 : 자연 현상은 항상 확률이 큰 쪽 , 무질서도 (엔트로피 ) 가 증가하는 방향으로만 일어난다 . 즉 , 자연 현상의 방향성 ( 비가역성 ) 에 대한 설명

켈빈 - 플랑크의 정의 : 역학적인 일은 전부 열로 바꿀 수 있으나 , 열을 전부 일로 바꾸는 것은 불가능하다 .

즉 , 열효율이 100% 인 열기관 ( 제 2 종 영구기관 ) 은 만들 수 없다 .

클라우지우스의 정의 : 열은 스스로 저온의 물체에서 고온의 물체로 이동할 수 없다 .

- 열역학 제 2 법칙


제 1 종 영구 기관외부로부터 에너지 공급 없이 계속 일을 할 수 있는 기관

열역학 제 1 법칙인 에너지 보존 법칙에 위배되어 만들 수 없음

외부에 일을 한 만큼 그 계의 내부 에너지는 감소하므로 외부에서 에너지를 공급받지 않고 계속 일을 할 수 있는 영구 기관은 없다 .

- 영구 기관 -

- 제 1 종 영구기관


영구 기관 제 2 종 영구 기관

열효율이 100% 인 기관으로 열을 전부 일로 바꾸는 기관 열역학 제 2 법칙에 위배되므로 만들 수 없다 .

에너지 효율 열기관 이외에도 다양한 에너지 전환장치들이 에너지를

전환하는 과정에서 의도한 에너지형태로 전환한 비율발전기 – 99% 태양열집열기 – 62%태양전지 – 20%인체 – 10% 형광등 – 25% 백열전구 – 5%

자동차에서의 에너지 전환에너지 전환 장치 원래 에너지 형태 최종 에너지 형태

엔진 ( 연료 연소 ) 화학 에너지 열에너지엔진 ( 피스톤 ) 열에너지 운동 에너지축전지 ( 사용 ) 화학 에너지 전기 에너지축전지 ( 충전 ) 전기 에너지 화학 에너지

발전기 운동 에너지 전기 에너지헤드라이트 전기 에너지 빛에너지경적 장치 전기 에너지 소리 에너지브레이크 운동 에너지 열에너지


Ⅵ-1. 에너지와 문명- 열섬 효과

사람들이 많이 모여 사는 도시에서는 냉난방과 자동차 운행에 따른 연료의 사용 등 여러 요인에 의해 도시 외곽보다 온도가 높아지는 현상 고층 건물이 빽빽이 들어선 도심은 바람의 통로가 막혀

대류에 의한 열의 이동이 방해를 받는다 .콘크리트 건물과 아스팔트 포장도로는 녹지보다 더 많은

열을 흡수하고 방출한다 .냉난방 장치나 자동차와 같은 많은 열원 및 이들의 가동에 따른 대기 오염으로 인한 온실 효과

< 보기 >

ㄱ . 1 초 동안 백열전구에서 소비한 전기에너지는 100J 이다 .

ㄴ . 1 초 동안 백열전구에서 방출한 빛에너지는 8J 이다 .

ㄷ . 1 초 동안 백열전구에서 방출한 열에너지는 92J 이다 .

1. 소비전력이 100W 이고 에너지 효율이 8% 인 백열전구를 정격전압 220V 에 연결하였다 . 이 백열전구에 대한 설명으로 옳은 것 만 을 < 보 기 > 에 서 있 는 대 로 고르시 오 . ( 단 , 백열전구에서 전기에너지는 빛과 열에너지로만 전환된다 .)

ㄱ . 엔트로피는 ‘무질서도’라고도 하며 물질의 분포상태가 흩어진 정도를 나타낸다 .

ㄴ . 자연계에서 물질계는 엔트로피가 증가하는 방향으로 자발적인 변화가 일어난다 .

ㄷ . 고립된 물질계에서 발생하는 모든 반응은 엔트로피가 항상 증 가하는 방향으로 일어난다 .ㄹ . 일은 모두 열로 전환될 수 있으며 열도 모두 일로 전환될 수

있다 .ㅁ . 제 2 종 영구기관은 열역학 제 2 법칙에 위배되므로 만들 수 없는 가상의 기관이다 .

2. 다음은 열역학 제 2 법칙에 대한 설명이다 . 옳지 않은 것을 고르시오 .

< 보기 >

ㄱ . 열을 가하기 전과 열을 가한 후에 실린더에 가해지는 기체의 압력은 같다 .

ㄴ . 열을 받은 후 기체가 한 일의 양은 PAh 이다 .

ㄷ . 실린더에 가해진 열은 모두 기체가 일을 하는데 사용되었다 .

3. 그림과 같이 정지하고 있던 실린더에 열을 가하였더니 일정한 높이 (h) 를 올라간 후에 정지하였다 . 단 , 피스톤의 단면적은 A이고 대기압은 P 이며 피스톤과 실린더 사이에 마찰은 없다 . a. 그림에 대한 설명이 바르게 된 것을 모두 고르시오 .b. 이 그림과 관계 깊은 법칙은 ?

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