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고등학교 1~2학년 (15-17세)

물리학I 열과 열역학 법칙

열은 온도 차이 때문에 옮겨 가는 에너지라서, 뜨거운 물체와 차가운 물체를 맞대면 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 흘러가요. 물체가 받은 열량은 Q = mcΔT 로 질량과 비열, 온도 변화를 곱해 구하고, 기체가 받은 열은 내부 에너지를 늘리거나 바깥에 일을 하는 데 쓰여 ΔU = Q − W 가 성립해요. P-V 그래프에서는 곡선 아래 넓이가 기체가 부피를 늘리며 한 일이에요. 온도를 바꾸면 등온 곡선이 움직이고, 열 Q 와 일 W 를 바꾸면 기체의 내부 에너지 변화가 어떻게 정해지는지 그림에 나타나요.

열이란 무엇인가

🔥 온도 차이로 흐르는 에너지
①뜨거운 물체와 차가운 물체를 맞대면 두 온도가 같아질 때까지 열이 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 옮겨 간다
②열 Q 는 온도 차이 때문에 전달되는 에너지이고 단위는 J 다
③물체의 온도를 ΔT 만큼 올리는 데 드는 열량은 Q = mcΔT 로, 질량 m 과 비열 c 에 비례한다

P-V 그래프와 일

350 K
💡 그래프 읽기
①온도가 일정하면 PV 가 일정해 곡선은 쌍곡선 모양이 된다
②온도가 높을수록 같은 부피에서 압력이 커서 곡선이 원점에서 멀어진다
③곡선 아래 칠한 넓이가 기체가 부피를 늘리며 바깥에 한 일 W 이고, T₂ 를 올리면 이 넓이도 커진다

열역학 제1법칙

50 J
20 J
열역학 제1법칙(에너지 보존)
ΔU = Q − W
내부 에너지 변화 = 기체가 받은 열 − 기체가 한 일
⚡ 받은 열은 어디로 가나
①에너지는 새로 생기거나 사라지지 않으므로, 기체가 받은 열 Q 는 내부 에너지 증가 ΔU 와 바깥에 한 일 W 로 나뉜다
②Q 가 양수면 열을 받고 음수면 내보내며, W 가 양수면 기체가 팽창하며 일하고 음수면 압축되며 일을 받는다
③Q 와 W 가 같으면 ΔU = 0 이라 온도가 그대로이고, W 가 음수이면 받은 일까지 더해져 내부 에너지가 Q 보다 더 많이 는다

열량과 비열

열량
Q = mcΔT
열량(J) = 질량(kg) × 비열(J/(kg·K)) × 온도 변화(K)
열평형
Q방출 = Q흡수 (열평형)
바깥으로 새는 열이 없으면 온도가 높은 물체가 잃은 열은 낮은 물체가 얻은 열과 같고, 두 온도가 같아지면 열의 이동이 멈춘다

예제로 익히기

예제 1
질량 2 kg, 비열 0.5 kJ/(kg·K)인 물체의 온도를 20 K 올리는 데 필요한 열량은?
1
열량 공식 Q = mcΔT 를 쓴다.
Q = mcΔT
2
m = 2 kg, c = 0.5 kJ/(kg·K), ΔT = 20 K 를 넣는다.
Q = 2 × 0.5 × 20 = 20 kJ
▸ 20 kJ
비열이 kJ 단위로 주어졌으니 답도 kJ 다. 같은 물체를 40 K 올리려면 두 배인 40 kJ 이 든다.
예제 2
기체에 80 J의 열을 가했더니 기체가 외부에 30 J의 일을 했다. 내부에너지 변화는?
1
열역학 제1법칙 ΔU = Q − W 를 쓴다.
ΔU = Q − W
2
Q = +80 J(받은 열), W = +30 J(기체가 한 일)을 넣는다.
ΔU = 80 − 30 = 50 J
▸ 50 J (증가)
받은 열 80 J 가운데 30 J 는 바깥에 일로 나가고, 남은 50 J 만큼 내부 에너지가 늘어난다.

정리

열량
Q = mcΔT
제1법칙
ΔU = Q − W
수능 유형 변형
단열 용기 안의 기체가 외부에 120 J의 일을 했다. 이 기체의 내부에너지 변화는?
①+120 J
②+60 J
③0 J
④−60 J
⑤−120 J
▸ ⑤ −120 J
1
단열 과정은 열이 드나들지 않으므로 Q = 0 이다.
Q = 0 ⇒ ΔU = −W
2
W = +120 J(기체가 한 일)를 넣는다.
ΔU = −120 J
🎯 시험 포인트
①Q = mcΔT 에서 비열 c 가 클수록 같은 열에 대한 온도 변화가 작다
②열역학 제1법칙 ΔU = Q − W 는 에너지 보존을 나타낸다
③등온 과정은 ΔT = 0 이라 ΔU = 0 이고 Q = W 다
④단열 과정은 Q = 0 이라 ΔU = −W 이고, 기체가 팽창하며 일하면 온도가 내려간다
⑤열은 스스로는 고온에서 저온으로만 이동한다(열역학 제2법칙)
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마지막 수정

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