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Ⅰ. 열에너지

생각 열기, 생각 넓히기

자의 눈금 간격을 넓혀 보자.

1차시

교과서

24～25

열

1

(1) 열(열에너지) : 에너지의 한 종류로서, 물체의 온도를 변화시키거나 상태 변화를 일으키는 원인으로 작용한다.

(2) 열 현상 : 열에 의해 온도 변화, 상태 변화, 부피 변화가 일어나는 현상을 열 현상이라고 한다.

(3) 풍속도 속의 열 현상

① 온도 변화 : 대장간에서 쇠붙이를 화덕 속에 넣고 열을 가하면 벌겋게 달아오른다. 이때, 쇠붙이의 부피도 열을 가하는 정도에 따라 늘어나게 된다.

② 상태 변화 : 쇠붙이에 계속 열을 가하게 되면 녹게 되는데, 이것은 고체가 액체로 상태 변화하는 현상이다.

자의 눈금 간격을 넓혀 보자.

2

(1) 자에 열을 가할 때 : 스탠드를 켜서 자에 열을 가해 주면 자의 길이가 늘어나게 된다. 원형 종이는 자의 길이가 늘어나는 정도를 나타내 주는 역할을 한다.

▴ 자에 열을 가해 주었을 때

(2) 자가 열을 빼앗길 때 : 자 위에 얼음을 올려놓으면 자의 길이가 줄어든다. 이때, 원형 종이는 자에 열을 가해 주었을 때의 반대 방향으로 회전하게 된다.

Ⅰ. 열에너지

1. 열평형

□  열 현상에는 어떤 것이 있을까?

2차시

교과서

26～31

열 현상

1

(1) 열의 이동 : 열은 전도, 대류, 복사에 의해 이동하면서 열 현상을 일으킨다.

(2) 전도 : 두 물체가 접촉한 상태에서 열이 한쪽에서 다른 쪽으로 이동하는 현상이다.

□ 뜨거운 국 속에 담긴 금속 숟가락이 뜨거워진다.

프라이팬의 바닥 부분에 열을 가했을 때 시간이 지나면 프라이팬 전체가 달궈진다.

(3) 대류 : 액체나 기체 상태의 분자가 직접 이동하면서 열이 이동하는 현상이다.

□ 주전자에 물을 넣고 주전자의 바닥을 가열하면 물 전체가 데워진다.

방 안에 난로를 피워두면 방 전체가 따뜻해진다.

(4) 복사 : 열이 빛의 형태로 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 이동하는 현상이다.

□ 햇볕이 비치는 양지가 음지보다 따뜻하다.

전자레인지에서는 눈으로 볼 수 없는 빛이 열을 이동시켜 음식물을 데운다.

열과 온도

2

(1) 열 : 물체의 온도나 상태 변화를 일으키는 원인이 된다.

(2) 온도 : 물체의 차고 더운 정도를 수치로 나타낸 것이다.

① 섭씨온도

․1기압에서 물의 어는점을 0℃로, 끓는점을 100℃로 하여 그 사이를 100등분한 온도이다.

▴ 섭씨온도와 절대온도

․단위 기호는 ℃이다.

․1742년 스웨덴의 천문학자이자 물리학자인 A.셀시우스가 창시한 한란계에서 기원하기 때문에 셀시우스 온도라고도 한다.

② 절대온도

․절대온도의 눈금 간격은 섭씨온도와 같고 절대영도는 섭씨로 -273℃이다.

․단위 기호는 K(켈빈)이다.

․섭씨온도 Tc(℃)와 절대온도 T(K) 사이에는 다음의 관계가 성립한다.

Tc = T - 273

③ 화씨온도

․1기압 상태에서 물의 어는점을 32°F, 끓는점을 212°F로 정하고, 두 점 사이를 180등분하여 한 눈금을 1°F로 한 온도이다.

․단위는 ℉를 사용하며, 파렌하이트(Fahrenheit) 온도라고도 한다.

Ⅰ. 열에너지

1. 열평형

□  열 현상을 분자 운동으로 설명할 수 있을까?

3차시

교과서

32～35

분자 운동

1

(1) 분자 운동: 물질을 이루는 분자들은 물체 내에서 끊임없이 운동하고 있고, 분자들의 운동이 활발할수록 물체의 온도가 높다.

(2) 분자 운동에 의한 열 현상

① 얼음이 녹거나 물이 끓고 있는 동안에 가해 주는 열에너지는 온도를 변화시키지 않고 상태를 변화시킨다. 이때, 열에너지는 분자들의 배열을 변화시키는 데 쓰인다.

② 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동하면 온도가 낮은 곳에 있는 분자들의 운동이 점점 활발해진다.

▴ 분자 운동

물질의 상태

2

(1) 고체 : 기체·액체와 더불어 물질이 가질 수 있는 상태 중 하나로 온도와 압력이 변하면 다른 상태로 바뀔 수 있다. 고체는 기체·액체와는 달리 별도의 용기 없이도 형태와 부피를 유지할 수 있다.

(2) 액체 : 물이나 기름과 같이 자유로이 유동하여 용기(容器)의 모양에 따라 그 모양이 변하며 일정한 형태를 가지지 않고 압축해도 거의 부피가 변하지 않는 물질이다.

(3) 기체 : 고체와 달리 일정한 모양과 부피를 갖지 않으며, 액체처럼 유동성(流動性)은 있으나 용기 전체에 확산되고, 액체보다 훨씬 압축되기 쉬운 상태에 있는 물체의 상태이다.

열의 본질

3

(1) 열소설 : 1770년에 블랙은 열이 고온에서 저온으로 흐르는 것을 열소가 많은 쪽에서 적은 쪽으로 흐르는 현상이라고 하였다.

(2) 열소설의 반박 : 1798년 럼퍼드는 천공기로 대포의 포신에 구멍을 뚫는 작업을 통해 열이 운동과 관련이 있다고 생각하였다.

(3) 열과 일의 관계 : 1845년 줄은 실험을 통해 중력에 의해 추가 떨어지면서 하는 일과 열량계 속의 날개가 회전하면서 액체와 마찰에 의해 발생하는 열량을 측정하여 열은 열소의 흐름이 아니라 에너지라는 생각을 갖게 되었다.

(4) 열과 분자 운동 : 물질을 이루는 분자들은 물체 내에서 끊임없이 운동하고 있고 분자들의  운동이 활발할수록 물체의 온도가 높아진다는 사실로부터 열에너지가 분자의 운동을 변화시켜 온도 변화가 발생한다는 것을 밝혀내었다.

▴ 럼퍼드의 실험

▴ 줄의 실험(열과 일의 관계)

▴ 브라운 운동

Ⅰ. 열에너지

1. 열평형

□  열평형은 어떻게 일어날까?

4차시

교과서

36～39

열평형

1

(1) 열평형 상태 : 온도가 서로 다른 두 물체를 접촉시켜 놓고 얼마의 시간이 흐른 후, 두 물체의 온도가 같아져서 열의 이동이 없는 상태이다.

▴ 열평형 상태

➠

(2) 뜨거운 물과 찬물의 열평형 과정

① 뜨거운 물 : 열평형 상태가 되는 동안 뜨거운 물의 물 분자들은 열에너지를 빼앗겨 분자 운동이 느려진다.

② 찬물 : 열평형 상태가 되는 동안 찬물의 물 분자들은 열에너지를 얻어서 분자 운동이 활발해진다.

▴ 뜨거운 물과 찬물의 열평형 과정

열평형의 방법

2

(1) 전도 : 두 물체가 접촉한 상태에서 열이 한쪽에서 다른 쪽으로 이동하는 현상으로, 찬물과 뜨거운 물을 섞었을 때, 쇠막대를 달굴 때 등은 전도에 의하여 열평형이 일어난다.

(2) 대류 : 액체나 기체 상태의 분자가 직접 이동하면서 열이 이동하는 현상이다.

① 주전자에 물을 넣고 가열하면서 톱밥을 넣으면 톱밥이 위아래로 순환되는 것을 볼 수 있다. 이런 과정을 통해 주전자 안에 있는 물은 고르게 가열된다.

② 차가운 방이 난로에 의해 따뜻해질 때 대류 현상이 나타난다. 난로는 방 아랫부분의 공기를 따뜻하게 한다. 따뜻한 공기는 팽창하여 밀도가 낮아지고 부력에 의해 천정으로 올라가서 원래 있던 차가운 공기를 아래로 밀어내게 된다. 이와 같은 공기의 순환이 계속해서 발생하여 방 전체가 데워지게 된다.

(3) 복사 : 열이 빛의 형태로 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 이동하는 현상이다.

▴ 열의 이동

열평형의 이용

3

(1) 뚝배기 : 뚝배기는 열평형이 느리게 일어나도록 하는 경우로서, 뚝배기 속의 데워진 국이 오랫동안 식지 않도록 하여 따뜻한 국물을 먹을 수 있도록 한다.

▴ 아이스박스에서의 열평형

(2) 아이스박스 : 아이스박스도 뚝배기의 경우와 같이 열평형이 느리게 일어나도록 하는 경우로서, 아이스박스 속의 내용물들이 시원함을 오랫동안 유지하도록 한다.

(3) 프라이팬 : 프라이팬은 금속으로 만들어져 있어서 아래의 열기에 의한 열평형이 빠르게 일어나도록 하여 열에 의한 맛있는 요리를 할 수 있도록 해 준다.

Ⅰ. 열에너지

2. 비열과 열용량

□  열량은 무엇과 관계가 있을까?

5차시

교과서

40～43

열량과 열용량

1

(1) 열량 : 열의 많고 적음을 수량으로 나타낸 양이다.

① 단위 : 킬로칼로리(kcal), 칼로리(cal), 줄(J)

② 1킬로칼로리(kcal) : 물 1 kg의 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열량이다. 즉, 9 kg의 물을 열을 가하여 1℃ 만큼 올리는 데는 9 kcal만큼의 열량이 필요하다.

(2) 열용량 : 어떤 물질의 온도를 1˚C 높이는 데 필요한 열량으로, 열을 가하거나 빼앗았을 때 물체의 온도가 얼마나 쉽게 변하는지를 알려주는 값이다.

① 열용량의 단위 : kcal/˚C

② 가해준 열용량은 가해준 열의 양에 비례하고 온도 변화에 반비례한다. 즉, 같은 양의 열을 가할 때 온도 변화가 적으면 물질의 열용량은 크고, 온도 변화가 크게 나타나면 물질의 열용량은 작다. 일반적으로 열용량의 크기는 질량에 비례하므로 같은 물질일 때 질량이 큰 쪽이 열용량이 크게 나타나게 된다.

열량(kcal) = 열용량(kcal/℃) × 온도 변화(℃)

(3) 물의 가열 시간과 질량에 따른 온도 변화

① 물의 가열 시간과 온도 변화 : 100 g의 물을 가열할 때 물의 온도 변화는 가열 시간에 비례한다.

② 물의 질량과 온도 변화 : 물 100 g을 담은 비커 A와 물 200 g을 담은 비커 B를 가열할 때, 15℃의 온도 변화를 일으키는 데 걸리는 시간을 비교하면 비커 B가 비커 A의 2배이다. 즉, 같은 온도 변화를 일으키기 위해서는 비커 B가 비커 A의 2배에 해당하는 열량이 필요하다.

▴ 물의 가열 시간과 온도 변화                               ▴ 물의 질량과 온도 변화

Ⅰ. 열에너지

2. 비열과 열용량

□  비열과 열용량은 어떤 관계가 있을까?

6차시

교과서

44～47

비열

1

(1) 비열 : 어떤 물질 1 kg의 온도를 1℃ 높이는 데 필요한 열량이다.

① 단위 : kcal/kg․℃, cal/kg․℃

② 어떤 물질 1 kg의 온도 1℃ 올리는 데 필요한 열량은 물질마다 다르다. 예를 들어, 1 kg의  물을 1℃ 올리는 데 필요한 열량은 1 kcal이고, 1 kg의 구리를 1℃ 올리는 데 필요한 열량은 0.093 cal이다. 따라서 비열은 물질이 갖는 고유한 특성이다.

▴ 물질에 따른 비열 차이

(2) 비열과 열량과의 관계

열량(kcal) = 비열(kcal/kg․℃) × 질량(kg) × 온도 변화(℃)

(3) 비열과 열용량의 관계

열용량(kcal/℃) = 비열(kcal/kg․℃) × 질량(kg)

여러 가지 물질의 비열

2

(1) 비열과 온도 변화 : 질량과 가해 준 열량이 같은 경우 비열이 큰 물체일수록 온도 변화가 작다. 따라서 질량이 같은 물질을 데우거나 식힐 때, 비열이 큰 물질은 천천히 데워지고 천천히 식는다. 반면에 비열이 작은 물질은 빨리 데워지고 빨리 식는다.

(2) 여러 가지 물질의 비열

물질	비열(kcal/kg․℃)	물질	비열(kcal/kg․℃)
알루미늄	0.22	물	1
구리	0.093	얼음	0.5
철	0.11	에탄올	0.58
수은	0.033	수증기	0.48

▴ 물질의 비열 측정

Ⅰ. 열에너지

2. 비열과 열용량

□  비열로 인한 현상에는 어떤 것이 있을까?

7차시

교과서

48～49

비열에 의한 현상

1

(1) 해풍과 육풍 : 물의 비열과 열용량이 흙의 비열과 열용량보다 커서 맑은 날 오후에는 바다에서 육지로 해풍이 불고, 새벽에는 육지에서 바다로 육풍이 분다.

(2) 계절풍 : 계절풍은 여름과 겨울에 대륙과 해양의 온도 차로 인해 풍향이 바뀌는 바람이다. 계절풍 역시 물과 흙의 비열과 열용량의 차이에 의해 발생하는 바람이다.

물의 비열

2

(1) 물의 비열

① 물의 비열은 다른 액체에 비해 매우 크다.

② 물의 비열이 큰 이유 : 물 분자가 극성을 띠고 있으면서 분자 간에 수소 결합을 하기 때문이다.

(2) 비열이 큰 물을 이용하는 경우

① 보일러 : 물은 주변에서 쉽게 구할 수 있는 재료이면서, 같은 양으로 많은 열에너지를 저장하거나 운반할 수 있기 때문에 보일러 등에 이용된다.

우리나라의 개량식 온돌 구조는 보일러로 물을 데워서 뜨거운 물을 방바닥 밑에 깔려 있는 파이프 속으로 흘려 보내줌으로써 난방을 하고 있다. 이것은 물의 비열이 크기 때문에 많은 열량을 보일러에서 공급받아서 방바닥으로 전달해 주기 때문이다. 만약 물의 비열이 작다면, 보일러를 켜 두어도 방바닥이 쉽게 따뜻해지지 않을 뿐만 아니라 보일러가 꺼지면 곧바로 방바닥이 차가워질 것이다.

② 자동차 엔진의 냉각제 : 자동차 엔진은 실린더 내부에서 휘발유에 의해 폭발 행정에 의한 열과 피스톤이 왕복 운동을 하면서 마찰에 의한 열이 많이 발생한다. 이러한 열은 자동차의 운행에 지장을 주기 때문에 엔진을 냉각시켜야 하는데, 자동차 엔진의 냉각제로 비열이 큰 물을 사용한다.

Ⅰ. 열에너지

3. 열팽창

□  물체를 가열하면 길이와 부피가 어떻게 될까?

8차시

교과서

52～57

열팽창

1

(1) 열팽창 : 물질이 열을 받으면 온도가 올라감에 따라 그 길이나 부피가 늘어나다. 이와 같은 현상을 열팽창이라고 한다.

(2) 물체가 열팽창을 할 때 모든 물체가 똑같은 비율로 열팽창을 하는 것이 아니라 온도에 따라 물질마다 열팽창 정도가 각각 다르다.

고체의 열팽창

2

(1) 고체의 열팽창 : 고체, 액체, 기체 상태에서 고체 상태일 때의 열팽창률이 가장 작다. 이것은 분자간의 결합력이 고체 상태일 때 가장 크기 때문이다.

(2) 고체의 열팽창 현상의 예

① 다리의 이음매 : 다리를 지날 때 중간 중간에 틈을 두는 것을 볼 수 있다. 이것은 계절에 따라 다리가 열을 받는 정도가 다르기 때문에 열에 의한 팽창률이 달라지므로 다리에 이음매를 두어 다리의 파손을 방지하기 위함이다.

② 전신주의 전선 : 전신주의 전선은 계절에 따라 그 길이가 달라진다. 겨울철에 팽팽하게 걸려 있던 전선이 여름철이 되면 길게 늘어진다. 여름철에 전신주의 전선을 너무 팽팽하게 걸어 놓으면 겨울철에 전선의 길이가 수축하여 전신주의 전선이 끊어질 위험이 있다.

▴ 여러 가지 고체 물질의 상대적인 열팽창 정도

액체의 열팽창

3

(1) 액체의 열팽창 : 온도에 따른 액체의 열팽창률은 고체의 열팽창률에 비해서는 크지만 기체의 열팽창률에 비해서는 작다.

▴ 액체의 열팽창 실험

(2) 액체의 열팽창 현상의 예

① 온도계 속의 수은 : 온도가 높으면 온도계 속 수은의 부피가 증가하여 온도계의 눈금이 올라가고, 온도가 낮아지면 온도계 속 수은의 부피가 감소하여 온도계 속의 눈금이 내려간다.

② 음료수 병 속의 음료수 : 마트에서 파는 음료수를 보면 음료수 병 속의 음료수가 가득 들어 있지 않고 약간의 여유를 둔다. 만약 음료수 병 속에 음료수를 가득 담아두게 되면 온도가 변함에 따라 음료수 병이 터질 수도 있다.

Ⅰ. 열에너지

3. 열팽창

□ 열팽창이 일어나는 까닭은?

9차시

교과서

58～59

열팽창의 원인

1

(1) 열팽창과 분자 운동 : 열팽창의 원인은 온도에 따른 분자의 운동 변화에 있다.

물체에 열을 가했을 때 열에 의해 물체의 분자 운동이 활발해지면서 분자 사이의 거리가 멀어지기 때문에 발생한다. 모든 물체는 일반적으로 온도가 올라가면 부피가 팽창한다.

▴ 물체의 열팽창과 분자 운동

(2) 물질의 상태에 따른 열팽창 정도 : 기체 > 액체 > 고체

기체는 액체나 고체보다 온도가 높아질 때 더 잘 팽창한다. 기체는 분자들이 자유롭게 운동하고 있기 때문에 같은 온도 변화에 대해서 분자들의 운동 변화가 커서 분자 사이의 간격이 크게 변하기 때문이다.

Ⅰ. 열에너지

3. 열팽창

□ 생활에서 볼 수 있는 열팽창 현상은?

10차시

교과서

60～62

열팽창의 이용

1

(1) 마차 바퀴 : 보통 마차 바퀴의 테두리는 철을 끼워 놓아 마차 바퀴의 강도를 높이는데, 이때 열팽창을 이용하게 된다. 철로 만든 테두리를 화덕에 넣어 달구면 열에 의해 팽창하게 되어 마차 바퀴에 쉽게 끼워 넣을 수 있다. 그런 후에 시간이 지나면 철이 수축하여 마차 바퀴를 꼭 끼게 되어 잘 빠지지 않고 고정된다.

▴ 마차 바퀴의 원리

(2) 여름에 기울어지는 에펠탑 : 철로 만들어진 324 m 높이의 에펠 탑은 한 여름이면 꼭대기가 햇빛을 받는 반대편으로 약 18 cm 기울어진다. 그 까닭은 햇빛을 받는 부분이 그 반대편보다 열에 의한 팽창이 크기 때문이다. 열팽창 정도가 다르기 때문에 한쪽으로 기울어진다.

(3) 포개어진 그릇 떼어 내기 : 포개어진 금속 그릇이 서로 붙어서 떼어 내기 어려운 경우가 있다. 이때 위에 있는 그릇에는 찬물을 붓고 아래에 있는 그릇은 뜨거운 물에 담가 두면 쉽게 떼어 낼 수가 있다. 이것은 찬물을 부은 그릇은 수축하고 뜨거운 물에 담가 둔 그릇은 열에 의해 팽창하기 때문이다.

(4) 수도관이나 가스 배관 : 수도관이나 가스 배관 등은 가스나 온수 또는 외부의 날씨 등에 의해 온도 변화가 생기면 배관의 길이가 늘어나거나 줄어드는 열팽창이 일어나게 된다. 이러한 열팽창에 의해 배관이 파손되는 것을 방지하기 위해 그림과 같이 관을 굽게 만든다.

▴가스 배관

자동 온도 조절 장치

2

(1) 자동 온도 조절 장치 : 온도를 자동적으로 일정하게 조절하는 장치이며, 각종 전열 기구에 사용된다. 예를 들면 전기난로, 전기담요 등에 넣는 자동 스위치로 온도가 올라가면 열리고, 온도가 내려가면 닫히도록 작용한다. 이를 위해 사용되는 것의 대부분이 바이메탈이다.

(2) 바이메탈의 원리 : 자동 온도 조절 장치 등에 사용되는 바이메탈은 한쪽 면은 열에 의해 잘 늘어나는 금속을, 다른 한쪽 면은 열에 의해 잘 늘어나지 않는 금속을 붙여서 만든 것이다.

▴ 바이메탈의 원리

바이메탈은 온도 변화에 따라 두 금속의 열팽창 정도가 다르기 때문에 온도에 따라 어느 한쪽으로 휘어지게 된다.

(3) 바이메탈을 이용한 다리미

▴ 바이메탈을 이용한 다리미