개념 한 쪽
열은 물질과 상황에 따라 서로 다른 방식으로 이동한다는 점을 이해한다. 고체 내부에서 분자 간 접촉으로 전달되는 전도, 유체의 이동으로 열을 옮기는 대류(열관류), 매질의 유무와 관계없이 전자기 복사로 전달되는 복사를 구별할 줄 알아야 한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「전도, 대류, 복사」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 이상기체 상태량 계산 | 1 | 주어진 압력·부피·온도 조건에서 기체의 질량을 이상기체 방정식으로 구하라는 문제 |
| 증기 상태 엔탈피 차이 계산 | 1 | 포화증기와 과열증기 엔탈피의 차이로 필요한 열량을 계산하라는 문제 |
| 상변화에서 흡수되는 열 판별 | 1 | 증발 등 상변화에 드는 열이 잠열인지 현열인지 판별하라는 문제 |
전도(열전도)는 물질이 정지 상태일 때 접촉한 분자 간의 에너지 전달로 인해 고온에서 저온으로 열이 이동하는 현상이라고 정의한다. 젓가락 한쪽 끝을 불에 대면 반대쪽이 뜨거워지는 사례처럼 물질 자체가 이동하지 않고 분자 간 진동이 전달되며 열이 이동하는 경우가 전도의 전형적인 예라고 설명한다.
대류(열관류)는 유체가 직접 이동하면서 열을 옮기는 방식이라고 정의한다. 물이나 공기 같은 유체가 흐르며 열을 수송하므로 '정지 상태'라는 조건과 어울리지 않으며, 유체의 이동 여부가 판단 기준이라고 설명한다. 열관류율은 면적 단위당 시간과 온도차에 대해 통과하는 열량으로 정의되며 단위는 kcal/m²·h·℃로 표기한다고 명시한다.
복사는 매질의 유무와 관계없이 전자기파 형태로 에너지가 전달되는 현상으로, 직접적인 접촉이나 유체 이동이 없어도 에너지가 전달될 수 있는 특징이 있다고 기술한다. 전도·대류·복사는 모두 넓은 의미의 열전달 범주에 속하므로 문제에서 특정 메커니즘을 지시할 때는 제시된 조건(정지 여부, 유체 흐름, 전자기 복사 관련 언급 등)에 따라 적절히 분류해야 한다고 강조한다.
열에는 상태 변화에 관여하는 잠열과 온도 변화를 동반하는 현열이 있다고 구분한다. 잠열은 상(고체·액체·기체)을 바꾸는 데 쓰이는 열로서 온도가 일정하게 유지되는 동안 흡수되거나 방출된다고 설명한다. 현열은 물질의 온도를 변화시키는 데 쓰이는 열이라고 정의한다.
1) 전도 판별 예: 문제에서 '정지상태에서 분자 간 접촉'이라는 조건이 제시되면 전도로 판정한다는 원리를 적용한다고 제시한다.
2) 잠열 구분 예: LPG가 액체에서 기체로 증발할 때 주변에서 흡수하는 열은 온도를 변화시키지 않고 상태만 바꾸는 잠열(증발잠열)이라는 사실을 이용하여 답을 도출한다고 제시한다.
3) 열관류율 단위 예: 열관류율 K는 '면적 1m², 1시간, 온도차 1℃에서 통과하는 열량'으로 정의되므로 단위는 kcal/m²·h·℃임을 확인해 단위 선택 문제를 해결한다고 제시한다.
40atmㆍabs 27℃에서 600ℓ 의 용기에 산소(O2)가 들어 있다. 이 때 산소는 몇 kg이 충전되어 있는가? (이 조건에서 산소는 이상기체라고 한다.)
정답 ④ · 이상기체 상태방정식 PV = nRT를 사용하여 계산합니다. 압력 P = 40 atm, 부피 V = 600 ℓ = 0.6 m³ (주의: 공학 단위계 사용 시 PV = nRT의 단위 일치 필요).
이상기체 n=PV/RT=(40×600)/(0.082×300)≈976mol이고 질량=976×32g≈31.2kg.
압력 100kg/cm²의 포화증기 1kg을 같은 압력 450℃의 과열 증기로 변화시키는데 필요한 열량(kcal)은? (단, 압력 100kg/cm²의 포화증기의 엔탈피는 652kcal/kg, 압력 100kg/cm²의 450℃의 과열증기의 엔탈피는 779kcal/kg이다.)
정답 ① · 문항은 포화증기 1 kg을 같은 압력에서 과열증기로 만들 때 필요한 열량을 계산하라는 것이다. 필요한 열량은 과열증기의 엔탈피에서 포화증기 엔탈피를 빼면 되므로 779−652 = 127 kcal가 된다.
과열에 필요한 열량 = 과열증기 엔탈피 − 포화증기 엔탈피 = 779 − 652 = 127kcal.
액화석유가스(LPG)가 증발할 때에 흡수한 열은?
정답 ② · 문제는 액체 상태의 LPG가 기체로 변할 때 흡수하는 열의 종류를 묻고 있다. 물질의 상변화(액체→기체)는 온도 변화 없이 상태만 바뀌는 과정이므로 그 과정에서 흡수되거나 방출되는 열은 잠열이다.
LPG가 증발(액체→기체 상변화)할 때 흡수하는 열은 잠열(증발잠열)이다.
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