열과 열역학 법칙

Heat and Laws of Thermodynamics

열은 온도 차이 때문에 전달되는 에너지이고, 뜨거운 물체와 차가운 물체가 닿으면 열이 이동해요. 열량 Q = mcΔT로 질량·비열·온도 변화를 곱해 구하고, 열역학 제1법칙 ΔU = Q − W는 에너지 보존을 말해 줘요. P-V 다이어그램에서는 곡선 아래 넓이가 기체가 한 일로 읽혀요. 이 페이지에서는 온도와 공급 열량을 바꿔 가며 등온 곡선과 에너지 분배를 직접 확인해 봐요.

열이란 무엇인가?

🔥 열의 직관

①뜨거운 물체와 차가운 물체를 접촉하면 열이 이동합니다

②열(Q)은 온도 차이에 의해 전달되는 에너지입니다

③열량 Q = mcΔT: 질량, 비열, 온도 변화의 곱

P-V 다이어그램

온도 T₂350 K

💡 P-V 다이어그램 읽기

①등온 과정: PV = nRT = 일정 → 쌍곡선

②온도가 높을수록 곡선이 위쪽/오른쪽으로 이동

③P-V 그래프 아래 넓이 = 기체가 한 일(W)

열역학 제1법칙

공급 열량 Q50 J

열역학 제1법칙 (에너지 보존)

ΔU = Q - W

내부에너지 변화 = 흡수한 열 - 기체가 한 일

⚡ 열역학 제1법칙의 의미

①에너지는 생성되거나 소멸되지 않는다 (보존!)

②기체에 열(Q)을 주면 → 내부에너지 증가(ΔU) + 일(W)로 분배

③Q > 0: 흡수, Q < 0: 방출 / W > 0: 기체가 일함

열량과 비열

열량 공식

Q = mcΔT

열량(J) = 질량(kg) x 비열(J/kg·K) x 온도 변화(K)

열평형

Q_방출 = Q_흡수 (열평형)

높은 온도 물체가 잃은 열 = 낮은 온도 물체가 얻은 열

예제로 익히기

예제 1

질량 2 kg, 비열 0.5 kJ/(kg·K)인 물체의 온도를 20 K 올리는 데 필요한 열량은?

열량 공식 Q = mcΔT를 사용한다.

Q = mcΔT

m = 2 kg, c = 0.5 kJ/(kg·K), ΔT = 20 K를 대입한다.

Q = 2 × 0.5 × 20 = 20 kJ

▸ 20 kJ

비열 c가 클수록 같은 온도 변화에 더 많은 열이 필요하다. 단위(kJ/kg·K)를 맞춰야 한다.

예제 2

기체에 80 J의 열을 가했더니 기체가 외부에 30 J의 일을 했다. 내부에너지 변화는?

열역학 제1법칙 ΔU = Q − W를 사용한다.

ΔU = Q − W

Q = +80 J(흡수), W = +30 J(기체가 일함)을 대입한다.

ΔU = 80 − 30 = 50 J

▸ 50 J (증가)

제1법칙에서 W는 기체가 한 일. 흡수한 열 중 일로 쓰고 남은 만큼 내부에너지가 증가한다.

총정리

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

단열 과정은 열 출입이 없으므로 Q = 0이다.

Q = 0 ⇒ ΔU = −W

W = +120 J(기체가 일함)을 대입한다.

ΔU = −120 J

🎯 시험 포인트

①Q = mcΔT에서 비열(c)이 클수록 온도 변화가 작다

②열역학 제1법칙: ΔU = Q - W (에너지 보존)

③등온 과정: ΔT=0 → ΔU=0 → Q=W

④단열 과정: Q=0 → ΔU=-W (일하면 온도 하강)

⑤열은 고온 → 저온으로만 자발적으로 이동 (제2법칙)