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
