멈춘 바퀴의 운동 에너지는 어디로 갔을까요? 물체와 주변을 함께 보며 마찰, 열전달, 상태 변화에서 에너지의 경로를 찾아봅니다.
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역학적 에너지만의 합과 모든 형태의 에너지 총량을 구별합니다.
회전하던 바퀴에 브레이크를 걸면 는 줄고 바퀴와 브레이크가 따뜻해집니다. 마찰을 통해 물질 내부의 운동·상호작용과 관련된 가 증가합니다. 감소가 에너지의 소멸은 아닙니다.
설명하려고 묶은 대상을 계라고 합니다. 계의 에너지는 경계를 드나드는 전달 때문에 변할 수 있습니다. 물체와 주변을 충분히 포함하고 외부 에너지 출입을 무시하면, 형태가 바뀌어도 에너지 총량은 보존됩니다.
| 계로 묶은 대상 | 포함해서 살필 경로 |
|---|---|
| 회전 바퀴만 | 브레이크와 주고받은 에너지 |
| 바퀴+브레이크 | 주변 공기·바닥 등으로 전달된 에너지 |
| 관련 물체+주변까지 | 외부 출입을 무시할 수 있는지 확인한 뒤 총량 비교 |
온도계의 값과 경계를 넘어 이동한 에너지는 같은 양이 아닙니다.
| 구별 | 설명 | 주의할 점 |
|---|---|---|
| 물체의 뜨겁고 차가운 정도를 나타내는 상태량 | 온도가 같아도 물질··는 다를 수 있음 | |
| 열 | 온도 차이 때문에 전달되는 에너지 | 접촉한 두 물체 사이 순수한 열 이동은 높은 온도에서 낮은 온도로 |
물체가 ‘열을 저장한다’고만 말하기보다 를 가진다고 구별합니다. 마찰에 의한 전환, 차이에 의한 열전달, 힘이 한 일은 에너지의 경로를 설명하는 서로 다른 말입니다.
일정한 에서 순수한 얼음과 물이 함께 있는 동안 열을 계속 받아도 가 일정할 수 있습니다. 이때 에너지는 상태를 바꾸는 데 쓰입니다. 온도 상승이 없다고 에너지 출입이 없다고 결론 내릴 수 없습니다.
어느 물체 사이의 어떤 경로를 설명하는지 먼저 정합니다.
| 관찰 범위 | 주요 설명 |
|---|---|
| 뜨거운 냄비의 금속 손잡이 내부 | : 물질 전체의 흐름 없이 이웃을 통해 전달 |
| 햇빛에 데워진 지표 부근 공기가 상승 | : 이동하는 공기가 에너지를 운반 |
| 태양에서 지표까지 도달하는 에너지 | : 기파로 전달 |
| 차가운 공기에서 수증기가 물방울로 응결 | 하는 수증기가 주변에 에너지를 내놓음 |
상승한 공기가 냉각되어 수증기가 응결하면 구름이 생길 수 있습니다. 응결은 주변 공기에 에너지를 내놓는 과정입니다. 실제 날씨에는 공기의 이동과 여러 에너지 전달이 함께 작용하므로, 구름 생성 전체를 한 가지 열전달 방식만으로 설명하지 않습니다.
조건을 고르기 전에 와 가 어떻게 달라질지 예상해 보세요. 관찰 뒤에는 무엇을 계에 포함했는지와 측정하지 않은 경로를 설명합니다. 이어지는 독립 문제에서는 회전 장치라는 새 상황에 적용합니다.
열전달과 상태 변화를 정성적으로 비교합니다. 열역학 과정의 정량 계산이나 실제 온도 예측 모형이 아닙니다.
관찰된 변화, 계의 경계, 빠진 경로를 차례로 확인합니다.
평지에서 자전거를 제동하자 이 줄고 브레이크가 따뜻해졌습니다. 브레이크 밖의 공기와 바닥 는 재지 않았습니다.
| 관찰 | 추가로 확인할 것 |
|---|---|
| 가 줄었다 | 물체·주변의 변화와 밖으로의 전달 |
| 가 그대로다 | 여부와 에너지 출입 |
| 표면 온도 변화가 작다 | ·물질, 측정 위치·시각, 다른 전달 경로 |
계 하나로 계 전체의 에너지를 모두 측정할 수는 없습니다. 보존을 설명할 때는 눈에 보이는 운동만이 아니라 와 경계를 넘는 전달도 함께 살핍니다.
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