열역학 I : 온도, 열, 열전달

Newton 운동 역학의 과정 1. 1 체 문제 ( 질점 ) : 병진운동, 진동운동 3. 2 체 문제 : 병진, 회전, 진동운동 가능 2. 충돌 4. 강체 (rigid body) 무수히 많은 질점으로 구성되며, 병진, 회전운동이 일어난다. 질점들의 상호 간격은 일정하게 유지된다 ( 가정 ) 이상적 고체로 절대로 변형되거나 부서지지 않는다.

실제의 물질은 ? 개 이상의 원자나 분자로 이루어진다. * 이 숫자는 얼마나 큰 수인가 ? 모든 물질은 원자 (atom) 로 구성되어 있다 : Brown 운동 (1827 년 식물학자 R. Brown) 1905 년 A. Einstein : Brown 운동의 이론적 설명 – 원자질량 계산 가능 모든 이가 원자의 존재를 믿게 됨. 원자의 구성 전자 (electron) : 음 (-) 의 전기를 띤 입자 원자핵 (nucleus) : 원자의 중심에 위치. 전자 질량의 약 2000 배 양성자 (proton) : 양 (+) 전기를 띰 중성자 (neutron) : 전기적으로 중성 양성자, 중성자는 모두 3 개의 쿼크 (quark) 로 구성됨.

쿼크 (quark) : M. Gell-Mann James Joyce 의 소설 「피네간의 철야 (Finnegan's wake) 」 ' 머스터 마크를 위한 3 개의 쿼크 (Three quarks for muster Mark!)' 기본입자 (elementary particle) 18 가지의 서로 다른 quark, 전자와 비슷한 종류의 6 가지 입자 (lepton) 각각의 경우에 대한 반입자 (anti-particle) 광자 (photon) 와 같은 다수의 매개입자 짧은 생명을 갖는 수많은 입자들 분자 (molecule) 헬륨 (He), 네온 (Ne), 금 (Au) 등 : 단일 원자로 이루어진 분자 수소 (H 2 ), 산소 (O 2 ), 질소 (N 2 ) 등 : 2 개의 원자로 이루어진 분자 이산화탄소 (CO 2 ), 물 (H 2 O) 등 : 3 개의 원자로 이루어진 분자 고분자 화합물 ( 단백질 등 ) :

원자 모형 (model) 의 변형 고체 (Solid) 강체에 가깝지만 분자들이 자기 자리에서 진동함. 강한 힘을 가하면 휘어지거나 부서진다. 결정 (crystal) 액체 (liquid) 고체와 달리 분자들이 비교적 자유롭게 이동할 수 있다. 따라서 흐를 수 있고, 특별한 형태를 갖지 않는다. 분자들 간의 거리가 기체에 비해 가까워서 잘 압축되지 않는다.

기체 (gas) 액체와 같이 흐르며, 따라서 유체 (fluid) 라 불린다. 분자들 간의 상호 거리는 기체의 경우 훨씬 멀다. 쉽게 압축 혹은 팽창한다. 플라즈마 (Plasma) 평상시 원자, 분자는 전기적으로 중성 – 고체, 액체, 기체는 중성인 원자나 분자로 이루어진다. 열이나 전기적 힘에 의해 원자핵 (+) 과 전자 (-) 를 분리시키면 물질은 전기를 띤 입자들로 이루어진 plasma 가 된다. 예 ) 태양, 네온사인, 오로라 등 압력 (pressure) 질점 면적 A 압력 = 힘 / 면적

강체 - 고체 - 액체 - 기체 - 플라즈마 입자운동 활발 차갑다뜨겁다 부력 (buoyant force) 알짜힘은 윗방향이다. 이 힘 ( 부력 ) 과 물체의 무게를 비교하여 무게가 더 크면 가라앉고, 부력이 더 크면 위로 이동한다. * 아르키메데스 (Archimedes) 의 원리 – 물보다 무거운 배가 왜 뜨는가 ? * 파스칼 (Pascal) 의 원리

운동에너지 1. 강체인 경우 : 모든 질점이 고정되어 있다. 2. 강체가 아닌 경우 : 질점들이 움직인다. 질점들은 운동에너지를 갖는다. 어떤 것이 내부에너지일까 ? 강체 : 분자 운동이 없다 - 분자의 운동에너지 = 0 고체 : 분자 운동이 느리다 – 분자 운동에너지가 작다. 기체 : 분자 운동이 빠르다 – 분자 운동에너지가 크다. 모든 분자들이 같은 속력으로 움직이는 것이 아니다. 어떤 것은 빠르고 어떤 것은 느리게 움직인다. 단지, 기체의 경우 고체보다 평균적으로 분자의 운동에너지가 크다.

온도 (temperature) = 분자들의 평균 운동에너지 뜨겁다 – 분자의 평균 운동에너지 ( 내부에너지 ) 가 크다 차갑다 – 분자의 평균 운동에너지 ( 내부에너지 ) 가 작다. 속력 분자수 차갑다 뜨겁다 분자 하나하나는 Newton 법칙에 따라 움직이지만, 너무 많기 때문에 독립적으로 다룰 수 없고, 단지 평균적으로만 다룬다. - 열역학 (Thermodynamics) * 통계물리학과 연결

물의 끓는점과 어는점을 기준으로 섭씨와 화씨 온도 정함. 절대온도 : 강체 ( 모든 분자운동이 정지 ) 의 온도는 절대온도 0 도 절대영도는 존재할 수 있는 가장 낮은 온도이다. 섭씨 영도는 절대온도 273 도, 절대 영도는 섭씨온도 -273 도이다. 지구상에서 도달한 가장 낮은 온도 : 우주의 평균 온도 : Big Bang 이론의 증거 실제의 물질들은 분자운동 때문에 절대온도 0 도가 될 수 없다. - 열역학

열 (Heat) : 온도차이 때문에 한 곳에서 다른 곳으로 전달되는 에너지 접촉 내부에너지가 더 크다 차가운 쪽은 내부에너지를 얻고, 뜨거운 쪽은 내부 에너지를 잃는다. 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 에너지 전달 두 물체가 도달하는 온도 :

열에 의한 팽창 (thermal expansion) 열 부피 증가, 밀도 감소 대부분의 물질은 열을 받으면 팽창한다. 예외 ) 물 (water) 과 얼음 (ice) 얼음이 녹으면 ( 열을 가함 ) 부피가 줄어들고, 물이 얼면 ( 열을 빼앗음 ) 부피가 늘어난다. - WHY?

열전달 방식 (Heat Transfer) 전도 (conduction) : 분자들의 충돌에 의한 에너지전달 대류 (convection) : 분자들의 실제 이동에 의한 전달 복사 (radiation) : 빛 ( 전자기파 ) 의 형태로 에너지전달 물을 끓일때 처음에는 전도에 의해 열전달 열 온도가 증가하면 대류에 의한 전달

왜 뜨거운 물 ( 혹은 공기 ) 는 위로 올라가는가 ? 온도의 증가 – 분자의 평균속력 증가 – 팽창에 의한 밀도 감소 아래쪽의 물이 윗쪽의 물보다 밀도가 작다 – 아래쪽 물이 올라가고 윗물이 내려온다 ( 대류 ) 복사의 정체는 ? 빛 ( 전자기파, electromagnetic wave) 주파수 가시광선가시광선 자외선자외선 적외선적외선 X- 선 감마선 마이크로파마이크로파 FMFM AMAM UHFUHF 온도가 높으면 높은 주파수의 복사 ( 빛 ) 이 나온다. 태양 : 가시광선, 지구 : 적외선 유리 : 가시광선은 통과시키나 적외선은 차단 – Greenhouse 효과