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루룻루루룻루 [452024] · MS 2018 · 쪽지

2019-04-12 09:22:25
조회수 3,922
1

칼로릭 지문 33번 도움!!!

게시글 주소: https://orbi.kr/00022305901

18세기에는 열의 실체가 칼로릭이며 칼로릭은 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르는 성질을 갖고 있는, 질량이 없는 입자들의 모임이라는 생각이 받아들여지고 있었다. 이를 칼로릭 이론이라 부르는데, 이에 따르면 찬 물체와 뜨거운 물체를 접촉시켜 놓았을 때 두 물체의 온도가 같아지는 것은 칼로릭이 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동하기 때문이라는 것이다. 이러한 상황에서 과학자들의 큰 관심사 중의 하나는 증기 기관과 같은 열기관의 열효율 문제였다.

열기관은 높은 온도의 열원에서 열을 흡수하고 낮은 온도의 대기와 같은 열기관 외부에 열을 방출하며 일을 하는 기관을 말하는데, 열효율은 열기관이 흡수한 열의 양 대비 한 일의 양으로 정의된다. 19세기 초에 카르노는 열기관의 열효율 문제를 칼로릭 이론에 기반을 두고 다루었다. 카르노는 물레방아와 같은 수력 기관에서 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르면서 일을 할 때 물의 양과 한 일의 비가 높이 차이에만 좌우되는 것에 주목하였다. 물이 높이 차에 의해 이동하는 것과 흡사하게 칼로릭도 고온에서 저온으로 이동하면서 일을 하게 되는데, 열기관의 열효율 역시 이러한 두 온도에만 의존한다는 것이다.

한편 1840년대에 줄은 일정량의 열을 얻기 위해 필요한 각종 에너지의 양을 측정하는 실험을 행하였다. 대표적인 것이 열의 일당량 실험이었다. 이 실험은 열기관을 대상으로 한 것이 아니라, 추를 낙하시켜 물속의 날개바퀴를 회전시키는 실험이었다. 열의 양은 칼로리로 표시되는데, 그는 역학적 에너지인 일이 열로 바뀌는 과정의 정밀한 실험을 통해 1kcal의 열을 얻기 위해서 필요한 일의 양인 열의 일당량을 측정하였다. 줄은 이렇게 일과 열은 형태만 다를 뿐 서로 전환이 가능한 물리량이므로 등가성을 갖는다는 것을 입증하였으며, 열과 일이 상호 전환될 때 열과 일의 에너지를 합한 양은 일정하게 보존된다는 사실을 알아내었다. 이후 열과 일뿐만 아니라 화확 에너지, 전기 에너지 등이 등가성을 가지며 상호 전환될 떄에 에너지의 총량은 변하지 않는다는 에너지 보존 법칙이 입증되었다.

열과 일에 대한 이러한 이해는 카르노의 이론에 대한 과학자들의 재검토로 이어졌다. 특히 톰슨은 칼로릭 이론에 입각한 카르노의 열기관에 대한 설명이 줄의 에너지 보존 법칙에 위배된다고 지적하였다. 카르노의 이론에 의하면, 열기관은 높은 온도에서 흡수한 열 전부를 낮은 온도로 방출하면서 일을 한다. 이것은 줄이 입증한 열과 일의 등가성과 에너지 보존 법칙에 어긋나는 것이어서 열의 실체가 칼로릭이라는 생각은 더 이상 유지될 수 없게 되었다. 하지만 열효율에 관한 카르노의 이론은 클라우지우스의 증명으로 유지될 수 있었다. 그는 카르노의 이론이 유지되지 않는다면 열은 저온에서 고온으로 흐르는 현상이 생길 수도 있을 것이라는 가정에서 출발하여, 열기관의 열효율은 열기관이 고온에서 열을 흡수하고 저온에 방출할 때의 두 작동 온도에만 관계된다는 카르노의 이론을 증명하였다.

클라우지우스는 자연계에서는 열이 고온에서 저온으로만 흐르고 그와 반대되는 현상은 일어나지 않는 것과 같이 경험적으로 알 수 있는 방향성이 있다는 점에 주목하였다. 또한 일이 열로 전환될 때와는 달리, 열기관에서 열 전부를 일로 전환할 수 없다는, 즉 열효율이 100%가 될 수 없다는 상호 전환 방향에 대한 비대칭성이 있다는 사실에 주목하였다. 이러한 방향성과 비대칭성에 대한 논으는 이를 설명할 수 있는 새로운 물리량인 엔트로피의 개념을 낳았다.

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33. 윗글을 바탕으로 할 때, 의 [가]에 들어갈 말로 가장 적절한 것은?

줄의 실험과 달리, 열기관이 흡수한 열의 양(A)과 열기관으로부터 얻어진 일의 양(B)을 측정하여 B/A로 열의 일당량을 구하면, 그 값은 [가] 라는 결과가 나올 것이다.

1. 열기관의 두 작동 온도의 차이가 일정하다면 줄이 구한 열의 일당량과 같다.

2. 열기관이 열을 흡수할 때의 온도와 상관없이 줄이 구한 열의 일당량과 같다.

3. 열기관이 흡수한 열의 양이 많을수룩 줄이 구한 열의 일당량보다 더 커진다.

4. 열기관의 두 작동 온도의 차이가 커질수록 줄이 구한 열의 일당량보다 더 커진다.

5. 열기관이 흡수한 열의 양과 두 작동 온도에 상관없이 줄이 구한 열의 일당량보다 작다.

이 문제 답 근거가 일이 열로 전환될 때와는 달리, 열기관에서 열 전부를 일로 전환할 수 없다는, 즉 열효율이 100%가 될 수 없다는 상호 전환 방향에 대한 비대칭성이 있다는 사실에 주목하였다.

에서

근거는

열 100 이 열 50 + 일 50 이 될 순 있지만

열 100있으면 방출 열 0 + 일 100 이 될 순 없다

열이 일로갈때 손실이 일어난다 두가지로 해석이 되는데

만약 후자로 열손실로 해석하면 일이 열로 전환될 때와는 달리 부분에서

일이 열로 전환될때는 손실이 안일어난다는거니까 말이 안되고

결국 전자라는 거잖아요??

근데 선지 5번은

현실에서는

열 100 있으면 방출열 10 + 일 80 + 어딘가로 손실 + 10 이므로

실제로 구한 열의 일당량이 더 작았다. 이 말 같은데

열손실얘기 아니에요 ?

어떻게 근거가 돼서 5번을 추론할 수 있는거죠??

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[수민쌤] · 429250 · 19/04/12 09:51 · MS 2012

'열이 일로갈때 손실이 일어난다 두가지로 해석이 되는데

만약 후자로 열손실로 해석하면 일이 열로 전환될 때와는 달리 부분에서
일이 열로 전환될때는 손실이 안일어난다는거니까 말이 안되고

결국 전자라는 거잖아요??'

이게 무슨 말씀이신지...

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루룻루루룻루 · 452024 · 19/04/12 09:53 · MS 2018

일이 열로 전환될 때와는 달리, 열기관에서 열 전부를 일로 전환할 수 없다는, 즉 열효율이 100%가 될 수 없다는 상호 전환 방향에 대한 비대칭성이 있다는 사실에 주목하였다.

에서 A달리 B로 문장을 나누면 B에서 열 -> 일 에서 손실이 일어난다 라고 말한다고 치면 A에서 일 -> 열 은 열손실이 안일어난다 라고 말하는거니까 말이 안된다.

이건데 ㅈㅅ 제가 설명을 넘무 못하네요 ㅠㅠ

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[수민쌤] · 429250 · 19/04/12 09:56 · MS 2012

지금 둘 다 열기관(열을 일로 전환)으로 전제하셔서 그러는 거 같은데, 줄의 실험에서는 '일'은 '열'로 100% 전환돼요. 지금 에서 가장 중요한 표현은 '줄의 실험과 달리,' 입니다.

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루룻루루룻루 · 452024 · 19/04/12 11:17 · MS 2018

열기관은 높은 온도의 열원에서 열을 흡수하고 낮은 온도의 대기와 같은 열기관 외부에 열을 방출하며 일을 하는 기관을 말하는데,
+
, 열과 일이 상호 전환될 때 열과 일의 에너지를 합한 양은 일정하게 보존된다는 사실을 알아내었다.
방출열 + 일의 양 = 열원에서 흡수한 열의 양 (줄)

열효율은 100%가 될 수없다 (클라우지우스)

일의양 / 전체 열 (실제 실험)

줄 의 계산 (전체열 - 방출열 )/열의양 = 일당량

줄의 계산이 실제 실험보다 크려면 일의양 ＜ 전체 열 - 방출열

이 식이 성립하려면 열기관이 일을할때 열이 일을 하고 방출하는것 외에 손실이 있어야 한다.

열효율은 100% = 1 이 될 수 없다 -> 일의양/전체열 <1
일의 양은 (전체열 - 방출열 ) 이므로 방출열이 존재하면 열효율은 100%가 될 수 없다.

클라우지우스가 열효율 100%라고 말한게
1. 방출열이 항상 0보다 크다 따라서 전체열 -> 모두 일 불가능
2. 방출열 외에 다른 손실이 항상 존재한다 따라서 열이 일로 전환될때마다 100%다 전환 불가능
라고 중의적으로 받아 들일 수 있다.

선지 5번은 방출열이 0보다 큰상태에서도 줄의 계산이 더컸다.
-> 방출열 외에 다른 손실이 항상 존재한다

결국 답이 5번이 되려면 2. 방출열 외에 다른 손실이 항상 존재한다 가 되어야 하는데

답을 내려면 저렇게 받아들여야 되는게 맞긴하지만..

위 지문에서 어떻게
2. 방출열 외에 다른 손실이 항상 존재한다로 읽힐 수 있나요 ?

혹시 제가 놓친 근거가 있을까요 ? 아님 그냥 문맥상?? 아님 정답을 내기 위해서??

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[수민쌤] · 429250 · 19/04/12 11:33 · MS 2012

애초에 줄의 주장과 달리 열을 일로 전환할 때는 100% 전환이 불가하니까, 이게 곧 어떤 그외의 손실이 존재함을 내포하죠.

사견으로, 저는 너무 복잡하게 생각하신다고 생각합니다.
줄의 주장: '일'과 '열'은 교환가능한 물리량, 따라서 일 열 100% 상호 교환 가능
클라우지우스의 반박: 상호 교환에는 비대칭성이 존재함. 열 -> 일의 경우는 항상 100% 상호 교환 불가능 (즉 어떤 손실이 발생)

따라서 클라우지우스의 주장에 따르면, '열의 일당량'은 100% 미만이 된다.

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루룻루루룻루 · 452024 · 19/04/12 11:38 · MS 2018

너무 복잡하게 생각을 해버리는 저의 글을 이렇게 읽어주셔서 정말 감사합니다 ㅠㅠ 수민쌤님이 적어주신대로 사고하도록 연습해볼게요

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[수민쌤] · 429250 · 19/04/12 11:46 · MS 2012

생각이 틀린 부분은 없으세요. 어느 정도 정량적 판단이 독해에 수반되어야 하는 건 당연한 건데, 다만 너무 정량적으로 읽으시는 것 같아요. 일부만 정량화하시고, 글 자체는 글로서 생각하고 받아들이시는 연습 해보시면 정말 좋을 것 같습니다.

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루룻루루룻루 · 452024 · 19/04/12 11:50 · MS 2018

넵 그렇게 해볼게요

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