물리) 열 에너지

물리) 기초 개념 단위 공식 정리 (+약간의 수학)

강의 들으면서 정리하는 거라 내용이 완전하지 않음.

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섭씨(°C) : 물이 어는 점을 0으로, 끓는 점을 100으로.

화씨(°F) : 물이 어는 점은 32로, 끓는 점을 212로. 파렌하이트(Fahrenheit)가 음수를 싫어해서 물이 어는 점 이하에서도 양수로 표현하기 위해 32를 기준으로 정했다는 설이 있다 ㅋㅋ

절대(K) : 이론상 물질을 이루는 분자의 최저 온도인 절대영도(-273.15°C)를 0으로. 0°C는 273.15K, 100°C는 373.15K. (섭씨와 동일한 간격)

섭씨온도 = (5 / 9) * (화씨온도 - 32)

 

열

열이란, 고온에서 저온으로 전달되는(열평형상태를 유지하려는) 에너지이다. 이 에너지의 크기는 열량(Q). 단위는 cal.

1cal = 물 1g의 온도를 1°C 변화시킬 때 필요한 열량 = 물의 비열 = 4.2J, 1J = 0.24kcal. 모든 물질 중 물(특히 얼음)이 가장 비열이 높다.

비열이 c(cal/g°C)이고, 질량이 m(g)인 물질을 온도 𝛥T(°C)만큼 변화시키기 위해 필요한 열량 Q(cal) = cm𝛥T

 

열에 의한 상변화

융해 : 고체에 열을 가하면 융해열을 흡수하여 액체가 된다

응고 : 액체의 열을 뺏으면 응고열을 방출하여 고체가 된다

기화 : 액체에 열을 가하면 기화열을 흡수하여 기체가 된다

액화 : 기체의 열을 뺏으면 액화열을 방출하여 액체가 된다

승화 : 고체에 열을 가하면 기체가 되거나, 기체의 열을 뺏으면 고체가 된다.

잠열 : 물체의 온도는 변하지 않지만 물질의 상태를 변화시키는 데 필요한 열. 융해열 = 응고열, 기화열 = 액화열, 승화열이 있다.

	비열 (cal/g°C)	응고열, 융해열 (cal/g)	액화열, 기화열 (cal/g)
얼음	0.5	-	-
물	1	80	540
수증기	0.48	-	-

 

열 팽창

길이 팽창 : 𝛥L = 𝛼L𝛥T (𝛼는 선 팽창 계수)

부피 팽창 : 𝛥L = 𝛽LT (𝛽는 부피 팽창 계수, 𝛽 = 3𝛼)

물은 역시 다른 물질과 다르다. 4°C에서 부피가 최소이고, 온도가 올라가거나 내려가면 부피가 증가한다.

샤를의 법칙 (온도에 따른 기체의 부피 팽창) : V = V0*(1 + t°C/273) (V0은 온도가 273K, 0°C일 때의 부피)

 

열 전달

전도 : 물체 간의 접촉을 통해 열이 전달된다.

대류 : 유체에서 열이 전달된다. 같은 유체에서 열이 높은 부분이 더 부피가 크기 때문에 밀도가 작아져 위로 올라가며 섞인다.

복사 : 전자기파를 통해, 즉 매질이 없어도 열이 전달된다.

 

열 기관과 열 펌프

열 기관은 자연적인 열의 흐름(고온에서 저온으로)에서 흡수한 열으로 일을 하는 장치.

1. 고온부에서 열이 공급된다.
2. 공급된 열의 일부는 일을 한다. (흡열)
3. 공급된 열 중 일을 하고 남은 열은 저온부로 배출된다. (폐열)

흡열량 : Q_H = W + Q_L

열 효율 : e = W/Q_H = (Q_H - Q_L)/Q_H = 1 - Q_L/Q_H

폐열량은 0이 될 수 없다. 즉 열효율은 항상 1보다 작다.

(가솔린보다 디젤기관의 열효율이 더 높다) (사람의 열효율은 약 0.1 정도이다. 에계)

열 펌프는 일(에너지 공급)을 해서 열을 저온에서 고온으로 이동시켜 온도를 낮추는 장치.

폐열량 : QH = 해야 할 일 + 흡열량 (열 기관의 폐열량과 기호가 바뀜 주의)

작동 계수 (열 펌프의 세기) : K = 흡열량 / 해야 할 일 = 흡열량/(폐열량 - 흡열량)

 

물리) 열역학