열(heat)이란 무엇인가? 충분히 확대해 보면 모든 것은 항상 움직이는 미세한 입자로 구성되어 있습니다. 어떤 것을 가열하면 그 입자의 운동이 빨라지고, 냉각하면…
English narration · English + 中文 subtitles burned in · 영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in
2.1
States of matter 物态 · 물질의 상태
Syllabus
English
2.1.1 States of matter
Core
Supplement
1 Know the distinguishing properties of solids, liquids and gases
2 Know the terms for the changes in state between solids, liquids and gases (gas to solid and solid to gas transfers are not required)
2.1.2 Particle model
Core
Supplement
1 Describe the particle structure of solids, liquids and gases in terms of the arrangement, separation and motion of the particles and represent these states using simple particle diagrams
6 Know that the forces and distances between particles (atoms, molecules, ions and electrons) and the motion of the particles affects the properties of solids, liquids and gases
2 Describe the relationship between the motion of particles and temperature, including the idea that there is a lowest possible temperature ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$), known as absolute zero, where the particles have least kinetic energy
3 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the motion of its particles and their collisions with a surface
7 Describe the pressure and the changes in pressure of a gas in terms of the forces exerted by particles colliding with surfaces, creating a force per unit area
4 Know that the random motion of microscopic particles in a suspension is evidence for the kinetic particle model of matter
8 Know that microscopic particles may be moved by collisions with light fast-moving molecules and correctly use the terms atoms or molecules as distinct from microscopic particles
5 Describe and explain this motion (sometimes known as Brownian motion) in terms of random collisions between the microscopic particles in a suspension and the particles of the gas or liquid
2.1.3 Gases and the absolute scale of temperature
Core
Supplement
1 Describe qualitatively, in terms of particles, the effect on the pressure of a fixed mass of gas of: (a) a change of temperature at constant volume (b) a change of volume at constant temperature
3 Recall and use the equation $pV = \text{constant}$ for a fixed mass of gas at constant temperature, including a graphical representation of this relationship
2 Convert temperatures between kelvin and degrees Celsius; recall and use the equation $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$
한국어
2.1.1 물질의 상태
핵심
보충
1 고체, 액체, 기체의 구별 가능한 성질을 안다
2 고체, 액체, 기체 사이의 상태 변화에 대한 용어를 안다 (기체→고체 및 고체→기체 변환은 필수 아님)
2.1.2 입자 모델
핵심
보충
1 고체, 액체, 기체의 입자 구조를 입자의 배열, 간격 및 운동에 대해 설명하고, 이러한 상태를 단순한 입자 도표를 사용하여 표현한다
6 입자(원자, 분자, 이온, 전자) 간의 힘과 거리, 그리고 입자의 운동이 고체, 액체, 기체의 성질에 영향을 미친다는 것을 안다
2 입자의 운동과 온도의 관계를 설명하며, 입자가 최소 운동 에너지를 갖는 가장 낮은 온도($-273\,{}^{\circ}\text{C}$)인 절대 영도라는 개념을 포함한다
3 기체의 압력과 압력 변화를 입자의 운동 및 입자가 표면에 충돌하는 것으로 설명한다
7 기체의 압력과 압력 변화를 입자가 표면에 충돌하여 단위 면적당 힘을 발생시킨다는 점으로 설명한다
4 현탁액 내 미시 입자의 무작위 운동이 물질의 입자 운동 모델을 뒷받침한다는 증거임을 안다
8 미시 입자가 빠르게 움직이는 분자와의 충돌에 의해 이동될 수 있으며, 미시 입자와는 구분되는 용어인 원자나 분자를 올바르게 사용할 수 있다
5 현탁액 내 미시 입자와 기체 또는 액체 입자 사이의 무작위 충돌을 통해 이러한 운동(때로는 브라운 운동이라 함)을 기술하고 설명한다
2.1.3 기체와 절대 온도 눈금
핵심
보충
1 입자 관점에서 일정 질량의 기체에 대해 다음이 압력에 미치는 영향을 질적으로 설명한다: (a) 일정 부피에서의 온도 변화 (b) 일정 온도에서의 부피 변화
3 일정 온도에서 일정 질량의 기체에 대한 방정식 $pV = \text{constant}$을 기억하여 활용하며, 이 관계의 그래프 표현을 포함한다
2 켈빈과 섭씨 사이 온도를 변환하고, 방정식 $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$을 기억하여 활용한다
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
Kinetic theory: gas pressure
Matter exists in three states: solid 固体, liquid 液体 and gas 气体.
State
Shape
Volume
Particles
Solid
fixed
fixed
close together, in a regular pattern, vibrating
Liquid
takes the shape of the container
fixed
close together, no pattern, can move past each other
Gas
fills the container
changes
far apart, fast, random motion
The changes of state are: melting (solid → liquid), boiling/evaporating (liquid → gas), condensation 凝结 (gas → liquid) and solidification 凝固 (liquid → solid). In condensation the gas particles slow down and come close together to form a liquid. In solidification the liquid particles lose energy and settle into fixed positions.
한국어
운동론: 기체 압력
물질은 세 가지 상태로 존재합니다: 고체, 액체 및 기체.
상태
모양
부피
입자
고체
고정됨
고정됨
서로 가까움, 규칙적인 배열, 진동 중
액체
용기의 모양 따름
고정됨
서로 가까움, 무질서함, 서로 지나갈 수 있음
기체
용기를 채운다
변한다
서로 멀리 떨어져 있고, 빠르게 무작위로 움직인다
상변화는 다음과 같다: 용해(고체 → 액체), 끓임/증발(액체 → 기체), 응축(기체 → 액체) 및 고화(액체 → 고체). 응축 시 기체 입자는 속도가 느려져 서로 가까워져 액체를 형성한다. 고화 시 액체 입자는 에너지를 잃고 고정된 위치에 정착한다.
All matter is made of tiny particles 粒子 that are always moving. This is the kinetic particle model.
In a solid the particles only vibrate 振动 about fixed positions.
In a liquid they are still close but can slide past each other.
In a gas they are far apart and move quickly in random directions.
Temperature and particle energy
When you heat a substance, its particles move faster, so they have more kinetic energy 动能. Temperature 温度 is a measure of the average kinetic energy of the particles.
The lowest possible temperature is absolute zero 绝对零度, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. At this point the particles have the least possible energy.
Gas pressure
Gas particles hit the walls of their container. Each hit is a tiny push. The pressure 压强 of the gas is the total force of these hits per unit area.
Heating a gas (at constant volume) makes particles move faster and hit harder and more often, so the pressure rises.
Squeezing a gas into a smaller volume (at constant temperature) means more hits per second on each unit of area, so the pressure rises.
For a fixed mass of gas at constant temperature:
$$pV = \text{constant}$$
So if the volume halves, the pressure doubles.
Worked example. A gas has a volume of $200\ \text{cm}^3$ at a pressure of $100\ \text{kPa}$. It is squeezed to $50\ \text{cm}^3$ at constant temperature. Find the new pressure.
If you look at smoke in air under a microscope, you see tiny specks moving in a jerky, random way. This is Brownian motion 布朗运动. The specks are pushed by fast, invisible air particles hitting them. It is strong evidence for the kinetic particle model.
The kelvin scale
Scientists often use the kelvin 开尔文 (K) temperature scale, which starts at absolute zero. To convert:
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$
So $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.
Worked example. Convert $25\,{}^{\circ}\text{C}$ to kelvin, and $200\ \text{K}$ to degrees Celsius.
Slide the piston in to shrink the volume. The same particles get crammed into less space, so they hit the walls more often and the pressure climbs — while pressure × volume stays constant. · 피스톤을 밀어 넣어 부피를 줄입니다. 같은 수의 입자들이 더 좁은 공간에 빽빽하게 채워지므로 벽에 더 자주 충돌하여 압력이 상승하고 — 동시에 압력 × 부피는 일정하게 유지됩니다.
transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/
열 에너지 전달
2.2
Thermal expansion 热膨胀 · 열팽창
Syllabus
2.2.1 Thermal expansion of solids, liquids and gases
Core
Supplement
1 Describe, qualitatively, the thermal expansion of solids, liquids and gases at constant pressure
3 Explain, in terms of the motion and arrangement of particles, the relative order of magnitudes of the expansion of solids, liquids and gases as their temperatures rise
2 Describe some of the everyday applications and consequences of thermal expansion
2.2.2 Specific heat capacity
Core
Supplement
1 Know that a rise in the temperature of an object increases its internal energy
2 Describe an increase in temperature of an object in terms of an increase in the average kinetic energies of all of the particles in the object
3 Define specific heat capacity as the energy required per unit mass per unit temperature increase; recall and use the equation
$$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$
4 Describe experiments to measure the specific heat capacity of a solid and a liquid
2.2.3 Melting, boiling and evaporation
Core
Supplement
1 Describe melting and boiling in terms of energy input without a change in temperature
6 Describe the differences between boiling and evaporation
2 Know the melting and boiling temperatures for water at standard atmospheric pressure
3 Describe condensation and solidification in terms of particles
4 Describe evaporation in terms of the escape of more-energetic particles from the surface of a liquid
7 Describe how temperature, surface area and air movement over a surface affect evaporation
5 Know that evaporation causes cooling of a liquid
8 Explain the cooling of an object in contact with an evaporating liquid
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
When matter is heated, its particles move more and take up more space, so the material expands. Gases expand the most, then liquids, then solids. This order comes from the forces between the particles: in a solid the particles are held tightly in a lattice 晶格 (a fixed pattern), so they can only vibrate a little more; in a liquid they are held less strongly; in a gas the forces are very weak, so the particles spread out much more.
Everyday examples: gaps are left between railway lines; bridges sit on rollers; a tight metal lid loosens when heated.
한국어
물질을 가열하면 입자가 더 크게 움직여 더 많은 공간을 차지하므로 재료가 팽창한다. 기체가 가장 많이 팽창하고, 그 다음 액체, 그리고 고체 순이다. 이 순서는 입자 사이의 힘에서 비롯된다: 고체에서 입자는 격자(고정 패턴)에 단단히 묶여 있으므로 진동만 조금 더 할 수 있으며, 액체에서는 덜 강하게 묶여 있고, 기체에서는 힘이 매우 약하여 입자가 훨씬 더 퍼진다.
일상 예시: 철도 선로 사이에는 간격을 두고, 교량은 롤러 위에 놓이며, 조이는 금속 뚜껑은 가열하면 풀린다.
차갑을 때는 레일 사이에 작은 간격을 두어, 열에 의해 팽창할 때 간격이 사라지고 궤도가 울퉁불퉁해지지 않도록 한다
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Heating and specific heat capacity · 가열 및 비열
Q = mcΔT
The heat energy needed is proportional to the temperature rise for a given mass of material. · 주어진 질량의 물질에 필요한 열량은 온도 상승분에 비례합니다.
Internal energy and specific heat capacity · 내부 에너지와 비열
English
The internal energy 内能 of an object is the total energy of all its particles. Heating an object raises its internal energy and usually its temperature.
The specific heat capacity 比热容 is the energy needed to raise the temperature of 1 kg of a material by 1 °C.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
A material with a high specific heat capacity (like water) needs a lot of energy to warm up and cools down slowly.
Worked example. How much energy is needed to heat $2.0\ \text{kg}$ of water from $20\,{}^{\circ}\text{C}$ to $70\,{}^{\circ}\text{C}$? The specific heat capacity of water is $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.
Rearranging $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ gives $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, with $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:
Measuring specific heat capacity. For a solid, use a metal block with two holes: one for an electric heater 加热器 and one for a thermometer 温度计. Measure the mass $m$ of the block. Switch on the heater for a measured time $t$ and record the current $I$ and the voltage $V$, so the energy supplied is $E = IVt$ (or read the energy from a joulemeter). Record the temperature rise $\Delta\theta$. Then $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. For a liquid, heat a measured mass of the liquid in a container and stir it, so the temperature is the same all through. Wrap the block or the container in insulating material 隔热材料, so less energy escapes to the air.
한국어
물체의 내부 에너지는 모든 입자의 에너지의 총합이다. 물체를 가열하면 내부 에너지가 증가하고 보통 온도가 올라간다.
비열은 물질 1kg의 온도를 1°C 높이는 데 필요한 에너지량이다.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$
비열이 높은 물질(예: 물)은 따뜻해지는 데 많은 에너지가 필요하며, 식는 속도도 느리다.
연습 문제. 물 $2.0\ \text{kg}$을 $20\,{}^{\circ}\text{C}$에서 $70\,{}^{\circ}\text{C}$까지 가열하는 데 필요한 에너지는 얼마인가? 물의 비열은 $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$이다.
$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$을 정리하면 $\Delta E = mc\,\Delta\theta$이 되며, 여기서 $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:
비열 측정하기. 고체의 경우, 전기 히터용 구멍과 온도계용 구멍이 있는 두 개의 구멍이 있는 금속 블록을 사용한다. 블록의 질량 $m$을 측정한다. 히터를 측정한 시간 $t$ 동안 켜고 전류 $I$와 전압 $V$를 기록하여 공급된 에너지가 $E = IVt$(또는 줄 계측기에서 에너지 값을 읽음)임을 확인한다. 온도 상승분 $\Delta\theta$을 기록한 후, $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$을 계산한다. 액체의 경우, 용기에 측정한 질량의 액체를 가열하고 저어하여 전체적으로 온도가 같도록 한다. 블록이나 용기를 단열재로 감싸空气로 빠져나가는 에너지를 줄인다.
Melting 熔化 and boiling 沸腾 need energy, but the temperature stays the same while the state changes. This energy breaks the forces between particles. For water at normal air pressure, melting is at $0\,{}^{\circ}\text{C}$ and boiling at $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
Evaporation 蒸发 is when a liquid changes to a gas at its surface, below the boiling point. The fastest particles escape from the surface. Because the fastest (most energetic) particles leave, the average energy of those left behind falls, so the liquid cools down 冷却. An object touching an evaporating liquid also cools, because the liquid takes energy from it: this is why sweat cools your skin.
Evaporation is faster when the temperature is higher, the surface area is larger, and there is more air movement over the surface.
한국어
용해와 끓음에는 에너지가 필요하지만 상태 변화 중에는 온도가 일정하게 유지됩니다. 이 에너지는 입자 사이의 인력을 끊습니다. 상압에서의 물의 경우, 용해는 $0\,{}^{\circ}\text{C}$에서, 끓음은 $100\,{}^{\circ}\text{C}$에서 일어납니다.
물질이 녹거나 끓는 동안 에너지가 계속 추가되더라도 온도는 일정하게 유지됨
증발은 액체가 끓는점 이하인 표면에서 기체로 변하는 현상입니다. 가장 빠른 입자들이 표면에서 빠져나갑니다. 가장 빠르고 에너지를 많이 가진 입자가 떠나기 때문에 남은 입자들의 평균 에너지가 감소하여 액체는 냉각됩니다. 증발하는 액체에 닿은 물체도 냉각되는데, 이는 액체가 물체로부터 에너지를 가져가기 때문입니다. 바로 이것이 땀이 피부를 식히는 이유입니다.
증발은 온도가 높을수록, 표면적이 클수록, 표면 위 공기의 흐름이 많을수록 빨라집니다.
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The heating curve — watch the temperature pause · 가열 곡선 — 온도가 멈추는 구간을 관찰하세요
While the substance is melting or boiling the temperature stays flat, even though heat is still going in — the energy breaks bonds instead of warming it. · 물질이 녹거나 끓는 동안에는 여전히 열이 공급되지만 온도는 일정하게 유지됩니다 — 에너지는 온도를 높이는 대신 결합을 끊는 데 쓰입니다.
2.3
Transfer of thermal energy 热能传递 · 열에너지의 이동
Syllabus
English
2.3.1 Conduction
Core
Supplement
1 Describe experiments to demonstrate the properties of good thermal conductors and bad thermal conductors (thermal insulators)
2 Describe thermal conduction in all solids in terms of atomic or molecular lattice vibrations and also in terms of the movement of free (delocalised) electrons in metallic conductors
3 Describe, in terms of particles, why thermal conduction is bad in gases and most liquids
4 Know that there are many solids that conduct thermal energy better than thermal insulators but do so less well than good thermal conductors
2.3.2 Convection
Core
Supplement
1 Know that convection is an important method of thermal energy transfer in liquids and gases
2 Explain convection in liquids and gases in terms of density changes and describe experiments to illustrate convection
2.3.3 Radiation
Core
Supplement
1 Know that thermal radiation is infrared radiation and that all objects emit this radiation
2 Know that thermal energy transfer by thermal radiation does not require a medium
4 Know that for an object to be at a constant temperature it needs to transfer energy away from the object at the same rate that it receives energy
3 Describe the effect of surface colour (black or white) and texture (dull or shiny) on the emission, absorption and reflection of infrared radiation
5 Know what happens to an object if the rate at which it receives energy is less or more than the rate at which it transfers energy away from the object
6 Know how the temperature of the Earth is affected by factors controlling the balance between incoming radiation and radiation emitted from the Earth’s surface
7 Describe experiments to distinguish between good and bad emitters of infrared radiation
8 Describe experiments to distinguish between good and bad absorbers of infrared radiation
9 Describe how the rate of emission of radiation depends on the surface temperature and surface area of an object
2.3.4 Consequences of thermal energy transfer
Core
Supplement
1 Explain some of the basic everyday applications and consequences of conduction, convection and radiation, including: (a) heating objects such as kitchen pans (b) heating a room by convection
2 Explain some of the complex applications and consequences of conduction, convection and radiation where more than one type of thermal energy transfer is significant, including: (a) a fire burning wood or coal (b) a radiator in a car
한국어
2.3.1 전도
핵심
보충
1 좋은 열전도체와 나쁜 열전도체 (열절연체)의 특성을 보여주는 실험을 설명할 것
2 원자 또는 분자 격자의 진동 및 금속 전도체 내 자유(비국소화) 전자의 이동에 대해 모든 고체에서의 열전도를 설명할 것
3 입자 관점에서 왜 기체와 대부분의 액체에서는 열전도가 나쁜지 설명할 것
4 열절연체보다는 좋지만 좋은 열전도체보다는 덜 잘 열에 전도하는 많은 고체가 존재한다는 것을 알 것
2.3.2 대류
핵심
보충
1 대류가 액체와 기체에서 열에너지를 이동시키는 중요한 방법이라는 것을 알 것
2 밀도 변화에 대한 입자 관점으로 액체와 기체에서의 대류를 설명하고 대류를 보여주는 실험을 설명할 것
2.3.3 복사
핵심
보충
1 열복사가 적외선 복사이며 모든 물체가 이 복사를 방출한다는 것을 알 것
2 열복사에 의한 열에너지 이동은 매개가 필요하지 않음을 알 것
4 물체가 일정 온도를 유지하려면 received 에너지와 동일한 비율로 물체로부터 에너지를 방출해야 함을 알 것
3 표면 색상(검정 또는 흰색) 및 질감(무광 또는 광택)이 적외선 복사의 방출, 흡수 및 반사에 미치는 영향을 설명할 것
5 물체가收到的 에너지 속도가 물체로부터 방출되는 에너지 속도와 다를 때 일어나는 현상을 알 것
6 유입 복사량과 지구 표면으로부터 방출되는 복사량 사이의 균형을 조절하는 요인이 지구의 온도에 미치는 영향을 알 것
7 좋은 적외선 복사체와 나쁜 적외선 복사체를 구별하는 실험을 설명할 것
8 좋은 적외선 흡수체와 나쁜 적외선 흡수체를 구별하는 실험을 설명할 것
9 복사 방출 속도가 물체의 표면 온도와 표면적에 따라 어떻게 달라지는지 설명할 것
2.3.4 열에너지 전달의 결과
핵심
보충
1 전도, 대류 및 복사의 일상적인 기본 적용 사례와 결과(예: (a) 주방 팬과 같은 물체 가열, (b) 대류에 의한 방 가열)를 설명한다.
2 전도, 대류 및 복사의 복잡한 적용 사례와 결과를 설명하며, 이 경우 여러 유형의 열에너지 전달이 중요한 역할을 한다. 예: (a) 나무나 석탄을 태우는 불, (b) 자동차의 라디에이터
Source: Cambridge International syllabus · 출처: Cambridge International syllabus
English
Thermal energy moves from hotter places to colder places in three ways.
Conduction
Conduction 热传导 is the transfer of thermal energy through a material without the material moving. The particles in a solid sit in a lattice. Heated particles vibrate more and pass the energy to their neighbours. In metals, free electrons (delocalised electrons 自由电子) carry energy quickly, so metals are good thermal conductors 热导体.
Materials that conduct badly (like air, wood and plastic) are thermal insulators 热绝缘体.
Testing conductors. Fix a drawing pin with a little wax to one end of rods of copper, iron, glass and wood, and heat the other ends equally. The pin drops first from the copper rod, then from the iron rod, and last (or never) from the glass and the wood: metals are the best conductors. A metal rod held in a flame soon feels hot; a wooden rod does not.
Gases and most liquids are bad conductors because their particles are far apart and only pass on energy when they happen to collide. There is no lattice and there are no free electrons.
Convection
Convection 对流 happens in liquids and gases. When a fluid is heated it expands, becomes less dense, and rises. Cooler, denser fluid sinks to take its place. This circle of moving fluid is a convection current.
Showing convection. Drop a crystal of purple potassium permanganate 高锰酸钾 into a beaker of water and heat the beaker gently under the crystal. A coloured stream rises above the heat, spreads across the top and sinks at the sides. In air, a lit candle under one chimney of a smoke box pulls smoke down the other chimney and up above the flame.
Convection cannot happen in a solid because the particles cannot move from place to place.
Radiation
Thermal radiation 热辐射 is energy carried by infrared 红外线 waves. All objects emit it, and it needs no material to travel through — it can cross empty space (this is how energy reaches us from the Sun).
A surface that is dull 暗淡 and black is a good emitter 发射体 and a good absorber 吸收体 of infrared. A surface that is shiny and white is a poor emitter and a good reflector 反射体.
Comparing surfaces. Fill two cans, one dull black and one shiny silver, with hot water at the same temperature, and put a thermometer in each. The black can cools faster, so it is the better emitter. Then put the same two cans, full of cold water, at equal distances from a heater. The black can warms faster, so it is the better absorber. A Leslie cube 莱斯利立方体 (a metal box with one side of each finish) shows the same thing.
An object stays at a constant temperature when it emits energy at the same rate as it absorbs energy. The rate of emission is greater when the surface is hotter and larger. If an object absorbs energy faster than it emits it, its temperature rises; if it emits faster than it absorbs, its temperature falls.
The Earth's temperature. The Earth absorbs radiation from the Sun and emits infrared radiation back into space. Its average temperature stays constant only when the two rates are equal. Anything that changes this balance changes the temperature. Gases in the atmosphere 大气 such as carbon dioxide absorb some of the emitted infrared and send part of it back down, so more of these gases warms the Earth. Clouds and ice reflect incoming sunlight, so less ice means more energy is absorbed, and the Earth warms further.
Everyday examples
A kitchen pan has a metal base that conducts energy quickly to the food, and a plastic or wooden handle that is an insulator, so you can hold it.
A radiator 散热器 heats a room by convection: the air next to it warms, rises, and cooler air flows in to take its place, so the whole room warms.
Sitting near a fire you feel its radiation on your face at once; the air between you and the fire is a poor conductor.
A vacuum flask 保温瓶 keeps a drink hot by stopping all three transfers: the vacuum between its double walls stops conduction and convection, and its shiny silver surfaces stop radiation.
한국어
열에너지는 세 가지 방식으로 더운 곳에서 차가운 곳으로 이동합니다.
전도
전도는 물질自身的移动 없이 물질을 통해 열에너지가 전달되는 것입니다. 고체 내의 입자는 격자 구조를 이루고 있습니다. 가열된 입자는 더 크게 진동하여 에너지를 이웃 입자에게 전달합니다. 금속에서는 자유 전자(비국소화 전자)가 에너지를 빠르게 운반하므로 금속은 좋은 열전도체입니다.
전도가 잘 안 되는 물질(공기, 나무, 플라스틱 등)은 열절연체입니다.
전도체 실험. 구리, 철, 유리, 나무 막대 한쪽 끝에 약간의 왁스로 도화핀을 고정하고 다른 쪽 끝을 동일하게 가열합니다. 구리 막대에서 핀이 먼저 떨어지고, 그 다음 철 막대에서, 마지막으로(또는 아예) 유리 및 나무 막대에서 떨어집니다. 즉, 금속이 가장 좋은 전도체입니다. 불꽃에 든 금속 막대는 곧 뜨거워지지만 나무 막대는 그렇지 않습니다.
기체와 대부분의 액체는 입자 사이 거리가 멀어 우연히 충돌할 때만 에너지를 전달하기 때문에 전도성이 나쁩니다. 격자 구조가 없고 자유 전자가 없습니다.
전도 시 진동하는 입자들이 이웃에게 에너지를 전달하므로 에너지는 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 흐릅니다
대류
대류는 액체와 기체에서 발생합니다. 유체를 가열하면 부피가 늘어나 밀도가 낮아지고 위로 올라갑니다. 차갑고 밀도가 높은 유체가 이를 대신하여 아래로 침강합니다. 이렇게 순환하는 유체의 흐름을 대류 corrente라고 합니다.
가열된 유체는 상승하고 차가운 유체는 침강하여 대류 current를 형성합니다
대류 demonstratation. 물의 비커에 보라색 망간산칼륨 결정 하나를 넣고 결정 아래쪽을 부드럽게 가열합니다. 가열 지점 위의 색이 있는 기류가 상승하여 표면을 가로질러 옆면에서 침강합니다. 공기 중에서는 연기 상자의 한 연통 아래에 켜진 초 candle를 두면 smoke가 다른 연통을 따라 내려가고 flame 위로 올라갑니다.
입자가 위치를 바꿀 수 없으므로 고체에서는 대류가 발생하지 않습니다.
복사
열복사는 적외선 파동에 의해 전달되는 에너지입니다. 모든 물체가 이를 방출하며, 매질이 필요 없이 진공 공간을 통과할 수 있습니다(이는 태양으로부터 에너지가 지구에 도달하는 방식입니다).
무광검은색 표면은 적외선의 좋은 방출체이자 좋은 흡수체입니다. 광택이 난 흰색 표면은 나쁜 방출체이면서 좋은 반사체입니다.
무광검은색 표면은 광택난 흰색 표면보다 적외선을 훨씬 잘 방출(및 흡수)합니다
표면 비교. 무광검은색과 광택 은색 통을 각각 같은 온도의 뜨거운 물로 채우고 각기에 온도계를 넣습니다. 검은색 통이 더 빨리 식으므로 더 나은 방출체입니다. 그런 다음 같은 두 통을 찬물로 채워 heater로부터 동일한 거리에 배치합니다. 검은색 통이 더 빨리 뜨거워지므로 더 나은 흡수체입니다. 레스리 큐브(각 면이 다른 마감 처리된 금속 상자) 역시 같은 결과를 보여줍니다.
열화상(infrared) 카메라는 따뜻한 손에서 방출되는 적외선을 이미지로 변환합니다; 밝을수록 hotter합니다
物体가 흡수하는 에너지와 방출하는 에너지의 속도가 같으면 일정한 온도를 유지합니다. 표면이 hotter하고 넓을수록 방출 속도는 커집니다. 만약 물체가 흡수하는 속도가 방출하는 속도보다 빠르면 온도가 오르고, 반대로 방출 속도가 흡수 속도보다 빠르면 온도가 낮아집니다.
지구의 온도. 지구는 태양으로부터 복사를 흡수하고 적외선 복사를 우주로 다시 방출합니다. 두 속도가 같을 때만 평균 온도가 일정하게 유지됩니다. 이 균형을 바꾸는 어떤 것도 온도를 변화시킵니다. 대기 중의的二氧化탄소 등의 기체는 방출된 적외선 일부를 흡수하여 일부는 다시 지표면으로 보내므로 이러한 기체가 많아질수록 지구를 더 따뜻하게 만듭니다. 구름과 얼음은 들어오는 햇빛을 반사하므로 얼음이 줄면 흡수되는 에너지가 늘어나고 지구는 더 따뜻해집니다.
일상생활 속 예시
주방용 팬은 음식에 에너지를 빠르게 전달하는 금속 바닥과 절연체로 된 플라스틱 또는 나무 손잡이를 가지고 있어 잡을 수 있습니다.
embed radiator는 대류를 통해 방을 난방합니다: 주변 공기가 따뜻해져 위로 올라가고 차가운 공기가 이를 대체하여 흐르므로 전체 방이 따뜻해집니다.
불 Nearby에 앉아 있으면 얼굴에 즉시 복사의 영향을 느끼는데, 불과 당신 사이의 공기는 전도성이 나쁩니다.
진공병은 열의 세 가지 전달 방식(전도, 대류, 복사)을 모두 차단하여 음료를 뜨겁게 유지합니다. 진공병의 이중 벽 사이의 진공은 전도와 대류를 막고, 반사된 은색 표면은 복사를 막습니다.
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Heat transfer lab · 열전달 실험실
Compare the routes by which thermal energy moves. · 열에너지를 이동시키는 경로를 비교하십시오.
In the kinetic particle model, heating a gas makes its particles move faster and hit the walls harder and more often, so the pressure rises. The particles themselves do not get bigger.
Evaporation happens only at the surface and at any temperature; boiling happens throughout the liquid at one fixed temperature. Evaporation cools the liquid left behind, because the fastest particles escape.
During melting and boiling the temperature stays constant even though energy is still being supplied — that energy breaks the forces between particles.
For specific heat capacity use $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, where $\Delta\theta$ is the change in temperature, not the final temperature.
Dull black surfaces are the best emitters and absorbers of infrared; shiny, light surfaces are the best reflectors. Convection needs a fluid to flow, so it cannot happen in a solid.
한국어
운동 입자 모델에 따르면, 기체를 가열하면 입자의 운동 속도가 빨라져 벽에 더 강하고 자주 부딪히므로 압력이 증가합니다. 단, 입자 자체의 크기는 변하지 않습니다.
증발은 액체 표면에서만 일어나며, 모든 온도에서 가능하지만, 끓음은 특정 고정된 온도에서 액체 전체에서 발생합니다. 증발 시 가장 빠른 속도로 도주하는 입자가 빠져나가므로 남은 액체는 냉각됩니다.
용해와 끓음 중에는 에너지를 계속 공급함에도 온도는 일정하게 유지되는데, 이 에너지가 입자 간의 인력을 끊는 데 사용됩니다.
비열 계산에는 $\Delta E = mc\,\Delta\theta$를 사용하며, 여기서 $\Delta\theta$는 최종 온도가 아닌 온도 변화량입니다.
무광검은 표면은 적외선의 가장 좋은 방출체 및 흡수체이며, 광택 있는 밝은 표면은 가장 좋은 반사체입니다. 대류는 유체가 흐르기를 필요로 하므로 고체에서는 일어날 수 없습니다.
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