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열과 역학적 에너지
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열과 역학적 에너지 |
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열에너지 |
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물질 내부의 분자 운동 에너지를 열에너지라 합니다. |
물질 속에 있는 분자들은 가만히 있지 못하고 끊임없이 운동을 합니다.
이 분자들이 가진 운동 에너지를 우리는 열로 느끼게 됩니다.
분자 운동이 빠를 수록 뜨겁게 느껴지고, 느릴수록 차게 느껴지는 겁니다.
찬 물에 손을 담그면 우리 손 내부의 분자 운동 보다 물 분자의 운동이 느려서 차게
느껴집니다. 차고 뜨거운 정도는 온도로 표시하기도 합니다.
찬 물에 더운 물을 섞으면 더운 물의 분자가 운동 에너지를 찬 물 분자에게 나누어
주어서 모든 분자의 운동 에너지가 비슷해집니다. 미지근한 물이 되는 거죠.
이 때 찬 물은 열에너지를 얻고, 더운 물을 열에너지를 잃었다고 합니다.
무언가를 나누어 주는 것은 있는 자가 없는 자에게 행하는 것이 쉽습니다. 분자 운동
에너지도 큰 쪽이 작은 쪽으로 나누어 주는게 쉬우므로 열에너지는 항상 온도가 높은
쪽에서 낮은 쪽으로 옮겨가게 됩니다.
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일을 하면 열에너지가 생길 수도 있습니다. |
열에너지를 얻으려면 연료를 태우는 것 말고도 일이 열로 바뀌는 방법이 있습니다.
마찰력에 이기면서 한 일은 쉽게 열에너지로 바뀝니다.
인간이 불을 처음 얻었던 방법도 돌을 부딪히는 것이었습니다. 돌 사이에 작용하는 마
찰력이 한 일은 열로 바뀐겁니다.
우주의 미아 운석이 지구에 정착하고 싶어서 들어오면 우리는 어떻게 막을수 있나요?
바로 최전방 경비대인 공기와의 마찰(저항)에 의해 운석은 불쌍하게도 타버리면서
열과 빛을 내게 됩니다. 그 빛을 우리는 별똥별이라 부르고, 열은 우주 공간으로 흩어지
게 됩니다. 운석의 역학적 에너지는 일을 통하여 열에너지로 바뀌어 버리는 겁니다.
망치로 못을 계속 치면 못이 따뜻해집니다. 망치가 마찰력을 이기며 한 일이 열에너지로
바뀐건데, 많이 두드릴수록 열은 더 많이 발생합니다.
해 준 일이나 역학적 에너지가 클수록 열에너지는 많이 발생합니다.
영국의 물리학자 줄은 실험을 통하여 1kcal 의 열을 얻으려면 4200 J의 일이 필요함을
알아내었습니다. 이 값을 열의 일당량이라 하지요. 8400 J 의 일을 하면 2 kcal 의 열이
생깁니다.
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열에너지는 열이나 역학적 에너지로 바뀔수 있습니다. |
물질이 열을 받는다는 것은 분자의 운동 에너지가 커지는 것이므로 분자의 운동이
활발해져서 부피가 늘어나게 됩니다. 이 때 주변의 공기나 그릇 따위의 저항을 이겨
내야 하므로 부피가 늘어나는 것은 주변에 일을 하게 되는 겁니다.
열팽창을 어느 정도로 하느냐는 물질에 따라 다른데, 일반적으로 고체, 액체, 기체의
순서로 커집니다.
찌그러진 탁구공을 더운 물 속에 넣으면 공 속의 기체가 열을 받아 부피가 커지면서
탁구공이 팽팽해집니다. 물을 끓일 때 생기는 수증기가 얼마나 큰 일을 하는지는
이미 증기 기관을 만들 정도로 잘 알려진 사실입니다.
액체는 기체만큼 많이 팽창하지는 않지만, 몸의 열이 많을때 체온계의 수은이 늘어
나는걸 보면 알 수 있습니다. 철길의 레일도 더운 여름날 늘어날 수 있으므로 사이
사이를 떼어 놓아 휘어지는걸 방지합니다.
증기 기관처럼 열에너지를 역학적 에너지나 일로 바꾸는 장치를 열기관이라 합니다.
열기관은 받은 열을 모두 일로 바꿀 수는 없고 일부를 마찰 등으로 잃어버립니다.
증기 기관의 경우 받은 열의 40%만을 일로 사용할 수 있는데, 이 40%를 열효율
이라 합니다 . 열효율이 높을수록 좋은 열기관이겠지요.
