Copyright Prof. Byeong June MIN

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1 Copyright Prof. Byeong June MIN
줄 Joule Copyright Prof. Byeong June MIN

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열의 일 당량 mechanical equivalent of heat Copyright Prof. Byeong June MIN

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열의 측정 단위 1 cal = 물 1 g 의 온도를 1 °C 올리는 데 필요한 열 Joule 의 성공 요인은 그가 온도를 3/1000 °C 만큼의 정확도로 측정할 수 있었다는 데 있었다 1 cal = 4.2 N m = 4.2 J (Joule 1843) 즉 열의 근원이 에너지라는 사실을 의미한다 그러나 이것은 인간의 신체 감각에 기반한 열의 개념에 어떻게 연관될 것인지 쉽게 알 수 없었기 때문에 받아들여지는 데 상당히 오랜 시간이 걸렸다. 1847년 학회에서 Stokes 는 찬성에 기울었고, Faraday 는 충격을 받았고, Thomson 은 회의적이었다 Copyright Prof. Byeong June MIN

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열 에너지 Thermal Energy 온도가 다른 두 물체의 열 접촉 tea ice -2 °C iced tea 12 °C 25 °C Copyright Prof. Byeong June MIN

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열 에너지 Thermal Energy 단순히 열에너지가 보존된다면 tea ice -2 °C iced tea -12 °C X 35 °C 25 °C Copyright Prof. Byeong June MIN

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예제. 다이어트 중인 사람이 자신이 오늘 섭취한 200 Cal 의 컵라면 만큼의 열량을 운동으로 빼려고 한다. 이 열량이 중력 위치 에너지로 완전히 바뀌려면 얼마나 높은 산에 올라가야 하겠는가? 단, 이 사람의 질량은 70 kg 이다. 200 Cal 의 열량은 200 kcal, 즉, 2 X 105 cal 이다. 또, 1 cal 은 J 이다. 이 열 에너지가 중력 위치 에너지로 완전히 바뀌려면 운동이 다이어트에 도움이 되는 것은 단순한 에너지 변환 이외의 요인도 많으며, 이 예제의 가정은 실제적이지 않다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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비열 specific heat 온도를 DT 만큼 올리는 데 필요한 열 에너지 Q 를 생각하자. 비열 Copyright Prof. Byeong June MIN

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비열 specific heat Copyright Prof. Byeong June MIN

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예제 질량이 125g 이고 온도가 90.0°C 인 미지의 물체를 20.0°C 의 물 kg 이 담긴 스티로폼 컵에 넣었다. 이 계는 열평형 온도 22.4°C 에 도달하였다. 컵의 비열을 무시할 때, 미지의 물체의 비열 cx 는 얼마인가? 이 때, 뜨거운 물체의 열에너지 변화량 QH 와 차가운 물체의 열에너지 변화량 QC 를 더하면 0 이 되어야 한다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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숨은 열과 상변화 latent heat and phase change 같은 물질이 다른 상태로 변화하는 것을 상변화라 한다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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숨은 열과 상변화 latent heat and phase change hexagonal ice Copyright Prof. Byeong June MIN

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숨은 열과 상변화 latent heat and phase change water ice Copyright Prof. Byeong June MIN

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숨은 열과 상변화 latent heat and phase change water vapor Copyright Prof. Byeong June MIN

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숨은 열과 상변화 latent heat and phase change 질량 m 인 물체의 상 변화에 필요한 열 에너지 이 때 L 을 숨은 열이라고 한다. L 은 물질의 종류 그리고 상변화의 종류에 따라 다르다. 예. 물의 융해열은 79.7 cal/g 이다. 이는 즉, 0 °C 의 얼음 상태에서 0 °C 의 물 상태로 바뀌는 데 필요한 에너지가 1 g 당 79.7 cal 라는 뜻이다. 예. 물의 기화열은 540 cal/g 이다. 같은 물이지만, 기화열과 융해열의 크기는 다르다. Copyright Prof. Byeong June MIN

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예제. 일정한 압력 하에서 -30 °C 의 얼음 덩어리 2 g 을 120 °C 의 수증기가 되도록 하려면 얼마 만큼의 에너지를 공급하여야 하는가? 이 과정은 모두 5 단계로 나뉜다. 1 단계 : °C 의 얼음 → 0 °C 의 얼음 2 단계 : 0 °C 의 얼음 → 0 °C 의 물 3 단계 : 0 °C 의 물 → 100 °C 의 물 합 = J 4 단계 : °C 의 물 → 100 °C 의 수증기 5 단계 : °C 의 수증기 → 120 °C 의 수증기 Copyright Prof. Byeong June MIN

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원자 운동이 활발 열 전달 원자 운동이 덜 활발 Copyright Prof. Byeong June MIN

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고체에서의 열 전달 원자들은 규칙적으로 배열된 상태에서 열운동 온도가 높아지면 열운동도 커지며, 원자의 이동도 일어난다 열에너지의 대부분은 원자의 운동으로 인한 것이지만, 원자들 자신의 이동은 매우 제한되어 있다 원자들끼리는 강하게 결합되어 있으므로, 한 원자의 운동은 다른 원자에게 전달된다 전도 conduction Copyright Prof. Byeong June MIN

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도체에서의 열 전달 도체에는 이동이 자유로운 자유 전자가 존재한다 따라서 열도 잘 전달한다 Copyright Prof. Byeong June MIN

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부도체에서의 열 전달 부도체의 경우, 원자가 이동하기 어려운 것은 물론이고, 이동이 자유로운 자유 전자도 없다 따라서 열을 잘 전달하지 못한다 Copyright Prof. Byeong June MIN

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기체 또는 액체에서의 열 전달 기체 또는 액체의 경우, 운동 에너지가 큰 원자가 더 많이 이동한다 원자의 직접적인 이동으로 열을 전달 Copyright Prof. Byeong June MIN

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기체 또는 액체에서의 열 전달 원자의 직접적인 이동으로 열을 전달 : 대류 convection 지구 지각에서 일어나는 대류 현상 Copyright Prof. Byeong June MIN

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기체 또는 액체에서의 열 전달 Copyright Prof. Byeong June MIN

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기체 또는 액체에서의 열 전달 굴뚝 효과 따뜻한 공기는 차가운 공기보다 밀도가 낮다 굴뚝의 윗부분의 압력은 굴뚝 밖의 압력과 같다 따라서 굴뚝의 아래 부분은 굴뚝 밖보다 압력이 낮다 따라서 굴뚝의 아래 부분으로 밖에서 찬 공기가 흘러 들어오고, 더운 공기는 굴뚝 위로 흘러나간다 Copyright Prof. Byeong June MIN

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진공에서의 에너지 전달 복사 radiation Copyright Prof. Byeong June MIN

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진공에서의 에너지 전달 복사 radiation Astronomers using data from ESO's Very Large Telescope (VLT), at the Paranal Observatory in Chile, have made an impressive composite of the nebula Messier 17, also known as the Omega Nebula or the Swan Nebula. The painting-like image shows vast clouds of gas and dust illuminated by the intense radiation from young stars. Copyright Prof. Byeong June MIN

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진공에서의 에너지 전달 복사 radiation synchrotron radiation Copyright Prof. Byeong June MIN

27 나무의 복사 적외선 사진 (Tree on Mt Victoria Devonport, New_Zealand
나무의 복사 적외선 사진 (Tree on Mt Victoria Devonport, New_Zealand. Image taken by Daniel Schwen using a Canon Powershot G3 with an R72 Hoya infrared filter. )

28 Stefan-Boltzmann Law 흑체(black body)가 방출하는 에너지 복사율은 절대 온도의 4 제곱에 비례한다. 이 때 흑체(black body)라는 말의 의미는 물체 자신의 특성 상 어느 색에 해당하는 파장(주파수)의 빛을 더 많이 방출하지 않는다는 의미이다.

29 Stefan-Boltzmann Law 흑체(black body)가 방출하는 에너지 복사율은 절대 온도의 4 제곱에 비례한다. 단위 시간 동안 방출하는 에너지는 흑체 면적 A에 비례한다 복사선의 일률 P 지구 표면에서 매 초 당 1 m2 면적에 쬐는 에너지는 약 1340 J 이다