Transcript 열역학1.(1838)
열역학 I : 온도, 열, 열전달 Newton 운동 역학의 과정 m 1. 1체 문제 (질점) : 병진운동, 진동운동 2. 충돌 m m 3. 2체 문제 : 병진, 회전, 진동운동 가능 m 4. 강체 (rigid body) m 무수히 많은 질점으로 구성되며, 병진, 회전운동이 일어난다. 질점들의 상호 간격은 일정하게 유지된다 (가정) 이상적 고체로 절대로 변형되거나 부서지지 않는다. 실제의 물질은? 10 23 개 이상의 원자나 분자로 이루어진다. * 이 숫자는 얼마나 큰 수인가? 모든 물질은 원자(atom)로 구성되어 있다 : Brown 운동 (1827년 식물학자 R. Brown) 1905년 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 2000배 양성자(proton) : 양(+) 전기를 띰 중성자(neutron) : 전기적으로 중성 양성자, 중성자는 모두 3개의 쿼크(quark) 로 구성됨. 쿼크(quark) : M. Gell-Mann James Joyce의 소설 「피네간의 철야(Finnegan's wake)」 '머스터 마크를 위한 3개의 쿼크(Three quarks for muster Mark!)' 기본입자(elementary particle) 18가지의 서로 다른 quark, 전자와 비슷한 종류의 6가지 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(H2), 산소(O2), 질소(N2) 등 : 2개의 원자로 이루어진 분자 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 등 : 3개의 원자로 이루어진 분자 고분자 화합물 (단백질 등) : 원자 모형(model)의 변형 결정(crystal) 고체(Solid) 강체에 가깝지만 분자들이 자기 자리에서 진동함. 강한 힘을 가하면 휘어지거나 부서진다. 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 plasma가 된다. 예) 태양, 네온사인, 오로라 등 압력(pressure) 압력 = 힘/면적 m 질점 F 면적 A P F F A 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 강체 - 고체 - 액체 - 기체 - 플라즈마 입자운동 활발 차갑다 뜨겁다 1. 강체인 경우 : 모든 질점이 고정되어 있다. v1 M 2. 강체가 아닌 경우 : 질점들이 움직인다. 질점들은 운동에너지를 갖는다. v2 어떤 것이 내부에너지일까? v0 운동에너지 1 2 M v2 0 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. 분자수 차갑다 뜨겁다 속력 분자 하나하나는 Newton 법칙에 따라 움직이지만, 너무 많기 때문에 독립적으로 다룰 수 없고, 단지 평균적으로만 다룬다. - 열역학(Thermodynamics) * 통계물리학과 연결 C F K 물의 끓는점과 어는점을 기준으로 섭씨와 화씨 온도 정함. 절대온도 : 강체(모든 분자운동이 정지)의 온도는 절대온도 0도 실제의 물질들은 분자운동 때문에 절대온도 0도가 될 수 없다. - 열역학 절대영도는 존재할 수 있는 가장 낮은 온도이다. 섭씨 영도는 절대온도 273도, 절대 영도는 섭씨온도 -273도이다. 109 K 3 K - 270 C 지구상에서 도달한 가장 낮은 온도 : 우주의 평균 온도 : Big Bang 이론의 증거 열(Heat) : 온도차이 때문에 한 곳에서 다른 곳으로 전달되는 에너지 T2 T1 T1 T2 내부에너지가 더 크다 접촉 차가운 쪽은 내부에너지를 얻고, 뜨거운 쪽은 내부 에너지를 잃는다. 두 물체가 도달하는 온도 : T3 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 에너지 전달 T1 T3 T2 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 온도가 증가하면 대류에 의한 전달 열 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 A M F M U H F 마 이 크 로 파 적 외 선 가 시 광 선 자 외 선 X-선 감마선 온도가 높으면 높은 주파수의 복사(빛)이 나온다. 태양 : 가시광선, 지구 : 적외선 유리 : 가시광선은 통과시키나 적외선은 차단 – Greenhouse 효과