B.4 · 열역학

이 핸드아웃은 2025년 최초 평가 과정에서 다뤄지는 HL 과목 중 선별된 주제들을 포함하며, 전체 커리큘럼은 아닙니다.

선행 학습: 명시된 양과 단위를 읽고, 산술 및 아래 모델 조건을 사용하십시오.

예제들은 원작이며 가상의 것입니다: 실제 측정값이나 실제 학생 조사 결과가 아닙니다.

이 관측을 설명할 수 있는 것은 무엇인가?

• 가스를 압축하면 히터가 없어도 온도가 상승할 수 있습니다. 일은 시스템으로 에너지를 전달하는 또 다른 경로입니다.

모델을 구축하시오

• 내부 에너지는 선택한 시스템의 성질입니다.
• 열과 일은 경계를 넘어 에너지가 전달됨을 나타냅니다.
• 이상 단원자 기체의 내부 에너지는 온도와 물질량에 의존합니다.
• 단열(adiabatic): 열 이동이 없는 과정입니다.
• 내부 에너지: 시스템의 총 미시적 운동 에너지와 위치 에너지입니다.

이를 검증할 수 있는 증거를 선택하시오

• 첫 번째 법칙을 사용하기 전에 부호 규정을 명시하십시오.
• 여기서 내부 에너지의 변화량은 시스템으로 유입된 열에서 시스템이 한 일을 값입니다.
• 열이 유입되지 않을 때 팽창 일은 내부 에너지를 감소시킬 수 있습니다.

실험실: 과정이 등온, 단열 또는 등적일지 식별하십시오. 압력-부피 그래프에서 과정 곡선 아래의 면적이 기체가 한 일을 의미합니다. 시작점과 끝점이 같더라도 경로가 다르면 일의 값이 달라집니다.

알려진 양으로부터 시작하시오

• 주어진 값: 기체가 가열되어 300 J의 에너지를 얻고 120 J의 일을 행합니다.
• ΔU = Q-W에 따라, ΔU = 300 - 120 = 180 J입니다.
• 단열 압축에서는 Q=0이며 기체가 한 일은 음수이므로, ΔU는 양수입니다.

당신의 차례: 기체가 열 500 J를 얻어 일 200 J를 행합니다. 내부 에너지 변화를 구하십시오.

결론과 그 한계를 확인하시오

• 단열이라고 해서 온도가 일정하다는 뜻은 아닙니다.
• 제시된 부호 규정을 사용하십시오. 일부 교육 과정에서는 기체에 가해진 일을 반대의 부호로 표기하기도 합니다.

틀린 설명: 모든 단열 과정이 온도를 유지한다는 것은 아닙니다. 단열은 열 이동을 고정(Q = 0)할 뿐, 온도는 고정하지 않습니다. 단열 압축은 온도를 높이고(자전거 펌프가 뜨거워지는 경우), 단열 팽창은 온도를 낮춥니다. 온도를 일정하게 하는 과정은 단열이 아닌 등온 과정입니다.

핵심:

• 내부 에너지는 선택한 시스템의 속성입니다.
• 첫 번째 법칙을 사용하기 전에 부호 규정을 명시하십시오.
• 주의: 단열이라고 해서 온도가 일정하다는 뜻은 아닙니다.

내부 에너지 변화 450 J에서 기입

• 기체가 열을 800 J만큼 얻고 350 J의 일을 합니다.
• 내부 에너지의 변화량을 구하십시오. 단열은 열 이동이 없음을 의미할 뿐, 온도가 일정하다는 뜻은 아닙니다.

등온 과정에서 기입

• 기체가 일정 온도에서 천천히 팽창하여 200 J의 일을 합니다.
• ΔU = 0, 따라서 Q = W = 200 J: 열이 유입되는 속도와 일로 나가는 속도가 정확히 같음 — 등온선은 에너지의 부재가 아니라 균형입니다.

순환의 합계에서 기입

• 하나의 완전한 순환 동안 기체는 500 J의 열을 흡수하고 300 J의 열을 방출합니다.
• 순일(Net work) = 500 − 300 = 200 J이며, 순환 전체에서 ΔU = 0입니다. 내부 에너지는 상태함수이므로 시작 값으로 돌아옵니다.