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개념정리 과학탐구 면접대비 물리 수능

05 일과 에너지

일과 운동 에너지

(1) 일: 물체가 일직선을 따라 거리 s만큼 움직이는 동안 크기가 F인 일정한 힘이 운동 방향과 θ의 각을 이루며 작용했을 때, 그 힘이 물체에 한 일은 다음과 같다.

(2) 일·운동 에너지 정리

 

알짜힘이 하는 일

(1) 중력이 한 일: 질량 m인 물체가 자유 낙하할 때 물체에는 크기가 mg인 일정한 중력이 알짜힘으로 작용한다.

(2) 마찰력이 한 일: 수평면에서 속력 v0으로 운동하던 질량 m인 물체에 크기가 f로 일정한 마찰력이 알짜힘으로 작용한다.

 

포물선 운동과 역학적 에너지

(1) 포물선 운동을 하는 물체의 역학적 에너지: 포물선 운동을 하는 물체는 운동하는 동안 매순간의 역학적 에너지가 같다.

(2) 포물선 운동의 에너지-시간 그래프와 에너지-수평 위치 그래프

 

단진자와 역학적 에너지

(1) 단진자의 역학적 에너지

(2) 단진자 운동의 에너지-시간 그래프: 주기가 T인 단진자에 대해 시간에 따른 역학적 에너지는 다음과 같다.

(3) 단진동하는 단진자의 주기: 진폭 θ가 매우 작은 경우 단진자의 주기는 진자의 길이에만 의존한다.

 

열과 일의 전환

(1) 온도와 열

① 온도: 물체의 차고 더운 정도를 수치로 나타낸 것을 온도라고 한다. 물체를 구성하고 있는 입자들의 평균 운동 에너지가 클수록 물체의 온도가 높다.

② 열: 에너지의 한 형태로, 물체 사이의 온도 차에 의해 이동하는 에너지이다.

  • 열은 자연적으로 고온에서 저온으로 이동한다.
  • 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동한 열에너지의 양을 열량이라고 한다.
  • 열량의 단위는 kcal 또는 J을 사용한다.

(2) 열과 일의 전환

① 열이 일로 전환되는 예

  • 주전자에 물을 담고 끓일 때 주전자 뚜껑이 달그락거린다. ⇨ 물이 끓을 때 발생된 수증기의 열에너지가 주전자의 뚜껑을 밀어 올리는 일을 하여 뚜껑이 달그락거린다.
  • 찌그러진 탁구공을 뜨거운 물속에 넣으면 탁구공이 원래 모양으로 돌아온다.  뜨거운 물에 의해 탁구공 안에 있는 기체의 열에너지가 증가하고, 이로 인해 분자 운동이 활발해진 기체가 탁구공 안쪽 표면을 밀어내는 일을 하여 원래 모양으로 펴진다.
  • 증기 기관, 자동차, 제트기의 엔진과 같이 열기관에서 열이 일로 전환된다.

② 일이 열로 전환되는 예

  • 사포로 물체를 문지를 때 열이 발생된다.
  • 망치로 못을 내리치면 망치와 못의 온도가 올라간다.
  • 모래가 들어 있는 통을 여러 번 흔들면 모래의 온도가 올라간다.
  • 추운 겨울에 손을 비비면 마찰에 의해 열이 발생하여 손이 따뜻해진다.

(3) 내부 에너지

① 내부 에너지(U): 물체를 구성하는 입자들의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 총합이다.

② 일과 내부 에너지의 관계

  • 망치로 못을 내리칠 때 망치와 못의 온도가 올라가는 까닭: 망치와 못의 충돌로 인해 망치와 못을 구성하는 분자들의 운동이 활발해지면서 내부 에너지가 증가한 것이므로 망치의 역학적 에너지가 내부 에너지로 전환한 것이다.
  • 모래가 들어 있는 통을 여러 번 흔들었을 때 모래의 온도가 올라가는 까닭: 모래 사이의 충돌과 마찰로 인해 모래의 내부 에너지가 증가한 것이므로 통의 흔들림에 의한 역학적 에너지가 내부 에너지로 전환한 것이다.

③ 이상 기체의 내부 에너지: 이상 기체의 경우 분자들 사이의 상호 작용이 없으므로 이상 기체의 내부 에너지는 분자들의 운동 에너지의 총합과 같다.

(4) 열역학 제1법칙

① 외부에서 계에 가해 준 열량(Q)은 계의 내부 에너지의 변화량(ΔU)과 계가 외부에 해 준 일(W)의 합과 같다.

 

열의 일당량

(1) 줄의 실험 장치와 에너지 전환

① 줄의 실험 장치: 영국의 물리학자인 줄(Joule)은 외부와 열의 이동이 없도록 차단한 용기에있는 물에 역학적으로 일을 해 주었을 때 물의 온도가 변하는 것을 보여줌으로써 열이 에너지의 한 형태라는 것을 증명하였다.

② 줄의 실험 장치에서 에너지 전환: 추의 중력 퍼텐셜 에너지 → 회전 날개의 운동 에너지 → 회전 날개와 물의 마찰로 인한 열에너지

(2) 열의 일당량 J: 추가 낙하하는 동안 중력이 추에 한 일 W와 열량계 속에서 회전 날개와 물의 마찰로 발생한 열량 Q 사이에는 다음 관계가 성립한다.

참고자료: EBS 수능특강 물리2

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