물리학 고3 열과 에너지

열과 내부 에너지

열이 에너지의 한 형태임을 이해하고 온도, 열량, 내부 에너지의 관계를 탐구한다.

열은 온도 차이 때문에 이동하는 에너지이고, 내부 에너지는 물체가 지금 품고 있는 분자 운동 에너지와 위치 에너지의 총합입니다.

내부 에너지는 통장 잔고, 열은 입금·출금입니다. 잔고는 '얼마나 있다'로 말하지만, 입출금은 '오갔다'로만 말합니다. 그래서 "이 물체는 열을 100 J 가지고 있다"는 말은 성립하지 않습니다.

쉽게 말하면

중학교에서 배운 열과 에너지를 한 단계 정확하게 다시 세우는 단원입니다. 중학교에서는 '열은 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 옮겨 가는 무언가'로 충분했지만, 고등학교에서는 그 '무언가'가 에너지이고, 물체 안에 저장된 형태와 이동 중인 형태를 구별해야 합니다.

물체를 이루는 분자는 가만히 있지 않습니다. 끊임없이 움직이고 진동하고 회전합니다. 이 분자 하나하나의 운동 에너지와, 분자끼리 서로 잡아당기는 힘에 의한 위치 에너지를 전부 더한 것이 내부 에너지 $U$ 입니다. 물체가 통째로 날아갈 때의 운동 에너지는 여기에 포함되지 않습니다 — 날아가는 야구공을 손으로 잡아 세워도 공이 저절로 뜨거워지지는 않는 것처럼, 겉으로 보이는 운동과 속의 열운동은 다른 장부에 적힙니다.

열 $Q$ 는 온도가 다른 두 물체가 만났을 때 고온에서 저온으로 흘러가는 에너지입니다. 이동이 끝나면 열은 사라지고 그만큼 내부 에너지가 늘거나 줄어 있을 뿐입니다. 그래서 열은 '과정'에 붙는 양이고, 내부 에너지는 '상태'에 붙는 양입니다. 이 구분이 열역학 제1법칙의 뼈대가 됩니다.

온도는 이 내부 에너지 중에서 분자 하나가 평균적으로 가진 운동 에너지를 나타내는 눈금입니다. 그래서 뜨거운 성냥불(온도 높음, 내부 에너지 작음)과 미지근한 목욕물(온도 낮음, 내부 에너지 큼)이 동시에 존재할 수 있습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

열은 이동한 양, 내부 에너지는 남아 있는 양

$8 0^{\circ} C$ 물에 $2 0^{\circ} C$ 쇠구슬을 넣으면 물에서 쇠구슬로 열이 흐릅니다. 열평형에 도달하면 더 이상 흐르지 않습니다. 이때 '열이 어디로 갔느냐'고 물으면 답은 '쇠구슬의 내부 에너지가 되었다'입니다. 쇠구슬 안에 '열'이라는 물질이 쌓여 있는 것이 아닙니다.
예시 2

일로도 내부 에너지를 올릴 수 있다

손바닥을 비비면 따뜻해집니다. 뜨거운 것을 갖다 댄 적이 없는데도 온도가 올라간 것은, 마찰이라는 '일'이 내부 에너지로 바뀌었기 때문입니다. 내부 에너지를 올리는 통로가 열만이 아니라는 사실이 열역학 제1법칙의 출발점입니다.
예시 3

성냥불과 목욕물

성냥불의 온도는 수백 도, 목욕물은 $4 0^{\circ} C$ 남짓입니다. 하지만 성냥불을 욕조에 넣어도 물이 데워지지 않습니다. 온도(분자 하나의 평균 에너지)는 성냥불이 높지만, 내부 에너지의 총량(분자 수까지 곱한 값)은 욕조 물이 압도적으로 크기 때문입니다.

온도 · 열 · 내부 에너지

구분	무엇인가	언제 쓰는 말인가
온도	분자 하나의 평균 운동 에너지를 나타내는 눈금	"이 물체는 $5 0^{\circ} C$ 이다" — 상태
내부 에너지	물체 속 모든 분자의 운동 에너지 + 위치 에너지의 총합	"내부 에너지가 $200 J$ 늘었다" — 상태(의 변화)
열	온도 차 때문에 이동하는 에너지	"열을 $200 J$ 흡수했다" — 과정. '가지고 있다'는 못 씀