VI. 에너지와 환경

1. VI-1. 에너지와 문명 1. 에너지의 전환과 보존 VI. 에너지와 환경

2. 1. 에너지의 전환과 보존 • 에너지는 생성되거나 소멸되는 것이 아니라 전환 과정에서 형태만 변할 뿐임을 안다. • 에너지가 전환되는 과정에서 전체 에너지의 양은 항상 보존됨을 설명할 수 있다. • 에너지란 무엇인가? • 일을 할 수 있는 능력 • 자연 현상을 쉽게 이해할 수 있는 열쇠 • 위성이 촬영한 한반도와 주변 지역의 야경

3. 에너지의 종류 Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 우리 생활 주변의 에너지 - 빛에너지, 소리 에너지, 열에너지, 전기 에너지, 화학 에너지, 위치 에너지, 운동 에너지 등

4. 에너지의 종류 Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 역학적에너지– 운동에너지, 위치에너지 • 1. 만유인력에 의한 위치에너지 : (태양과행성사이) 2. 역학적에너지 보존 :

5. 에너지의 종류 Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 핵에너지 – 원자핵과 관련된 에너지 • 1. 방사성에너지 : X선, α, β, γ방사선이 갖는 운동에너지, • 불안정한 원자핵이 갖는 핵에너지로부터 나옴 • 2. 핵융합에너지 : 고속의 원자핵들이 충돌하여 융합하는 과정에서 방출하는 에너지,별(태양) 내부, 초고온 초고밀도 상태 • 3. 핵분열에너지 : 핵분열과정에서 여분의 에너지 방출, • 원자력에너지

6. 자연 현상에서의 에너지 전환과 이동 Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 행성의 속력이 가장 빠른 위치는? • 만유인력에 의한 위치 에너지가 가장 작은 위치는? • 행성의 속력이 느려지는 구간은? • (4) 행성의 역학적에너지가 가장 큰 위치는? • 케플러 제2법칙과 역학적 에너지 보존 - 그림과 같은 타원 궤도를 돌고 있는 행성이 있다. A 태양 B D C

7. 자연 현상에서의 에너지 전환과 이동 Ⅵ-1. 에너지와 문명 지구내부열에너지 역학적에너지 ? 에너지 역학적에너지 열에너지 운동에너지 지구내부에너지 탄성에너지

8. Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 활의 탄성 에너지 ⇒ 화살의 운동 에너지 • 활을 잡아당기는 데 한 일은 활에 탄성 에너지로 저장 • 화살을 놓는 순간 활에 저장되어 있던 탄성 에너지는 화살의 운동 에너지로 변환 김홍도의 활쏘기

9. Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 여러 가지 에너지의 전환과 이용 형태

10. Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 인간 동력 자동차(Human Car) • 좌석 앞에 있는 손잡이를노를 젓듯이 밀고 당길 때 발생하는 에너지로 움직인다.

11. Ⅵ-1. 에너지와 문명 2. 태양 에너지의 이용과 문명 • 태양 에너지와 화석 연료가 지구의 가장 중요한 에너지원임을 설명할 수 있다. • 인류 문명의 발전과 함께 에너지의 전환 기술이 발전해왔음을 설명할 수 있다. • 태양 에너지로부터 전환된 다양한 에너지의 형태와 이용 사례를 설명할 수 있다. • 태양 에너지의 전환 • 지구계 각 권의 상호 작용을 일으키는 태양 에너지, 지구 내부 에너지, 조력 에너지 등이 있다. • 태양 에너지는 지구 모든 에너지의 근원으로 가장 많은 양을 차지한다. • 강수, 파도, 바람, 광합성, 화석 연료 등은 태양 에너지가 근원이다.

12. Ⅵ-1. 에너지와 문명 - 에너지의 사용과 문명의 발달 인류의 에너지 소비와 생산량

13. Ⅵ-1. 에너지와 문명 활동 4 다양한 발전 방식과 태양 에너지는 어떤 관계일까?

14. Ⅵ-1. 에너지와 문명 수력 발전

15. - 화력 발전 - Ⅵ-1. 에너지와 문명 화학에너지 → 열에너지 → 터빈의 운동에너지 → 발전기 전기에너지 터빈 발전기

16. Ⅵ-1. 에너지와 문명 태양열 발전

17. 태양광 발전 Ⅵ-1. 에너지와 문명 미국 NASA에서 만든 태양전지 비행기(Helios)가 2001.08.13에 96,500 피트까지 상승하는 신기록을 세움

18. 태양광 발전 Ⅵ-1. 에너지와 문명 우리별1호의 태양 전지

19. 각 발전소의 장단점 - 활동 결과 -

20. Ⅵ-1. 에너지와 문명 풍력 발전

21. Ⅵ-1. 에너지와 문명 조력 발전(프랑스)

22. Ⅵ-1. 에너지와 문명 - 울돌목 조류 발전 본격 추진 [ 한국일보 2001. 7. 19. ] • - 2009년 완공 • - 해양부, 울돌목 등 타당성 조사 (2010년) • 상용 타당성 없어 연내 철거 밝힘 (2011년) • 2017년까지 상용화가능성 더 연구 • - 조류발전은 댐이 필요한 조력발전과 달리 물살이 빠른 해협에 수차를 설치해 발전하는 개념으로 현재까지는 이순신 장군의 명량대첩으로 유명한 울돌목이 최적지로 평가

23. Ⅵ-1. 에너지와 문명 양수 발전

24. 3. 에너지 효율 Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 에너지 전환 과정의 효율을 이해하고, 영구 기관을 만들 수 없는 이유를 설명할 수 있다. • 에너지가 보존됨에도 에너지를 절약해야 하는 이유를 설명할 수 있다. • 열기관(Heat Engine) • 열에너지를 역학적 에너지 즉, 일로 변환시키는 장치 • 영국의 제임스 와트는 열기관인 증기 기관 개량 -산업 혁명이 시작되는 데 큰 역할 • 일률의 단위로 마력(HP)처음 사용

25. 3. 에너지 효율 Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 열효율(e) • 공급한 열량(Q)에 대해 일(W)로 전환된 양의 비율 • 온도가높은고열원에서Q1의 열을 흡수하여 외부에 W 의 일을 하고, 낮은 온도의 저열원으로Q2의 열을 방출하는 열기관 열효율 × 100 (%)

26. Ⅵ-1. 에너지와 문명 - 외연 기관과 내연 기관 • 기관( Engine) • 외연기관 – 증기기관 증기터빈 • 내연기관 – 자동차엔진, 디젤, 가솔린 등 • 열효율이 높다.

27. Ⅵ-1. 에너지와 문명 증기 기관

28. Ⅵ-1. 에너지와 문명 내부 에너지 • 모든 물질에는 여러 종류의 많은 양의 에너지가 감추어져 있다. • 책을 구성하는 종이에도  분자들의 운동 에너지와  종이를 구성하는 분자들 사이의 상호 작용에 의한 위치 에너지가 들어 있다. • 종이를 태울 때  열이 발생하는 사실에서도 알 수 있듯이 화학 에너지도 저장되어 있으며, 원자핵 속의 결합 에너지 등이 있다. • 한 물체를 구성하는 물체 내의분자들이 갖는 운동 에너지와 위치 에너지의 합 - 내부 에너지 • 열현상이 일어나는 경우 - 기체의 부피가 일정할 때 기체의 내부 에너지는 온도에 비례

29. Ⅵ-1. 에너지와 문명 - 에너지 보존 • 우주의 에너지 총량은 불변 • 에너지 전환 과정에 관련된 에너지의 총량은 보존 • 열역학 제 1법칙은 열의 관점에서 본 에너지 보존 법칙 • 역학적 에너지 = 운동 에너지 + 위치 에너지 • 마찰이나 공기 저항 등이 작용하지 않을 때 역학적 에너지도 보존 - 역학적 에너지 보존 법칙

30. Ⅵ-1. 에너지와 문명 열역학 제1법칙 • 열을 포함하여 에너지의 전환 과정에서 총량이 불변한다는 에너지 보존 법칙이 성립 • 외부에서 열기관의 기체에 가한 열에너지= 내부에너지 증가 (온도) + 한 일의 양(기체의 부피증가량) - 열역학 제 1법칙은 에너지 보존 법칙의 또 다른 표현 • 열 현상과 역학적 현상이 동시에 발생하더라도, 이 과정에 관련된 모든 에너지의 합은 일정하게 보존

31. Ⅵ-1. 에너지와 문명 - 열역학 제2법칙 • 엔트로피 증가의 법칙: 자연 현상은 항상 확률이 큰 쪽, 무질서도(엔트로피)가 증가하는 방향으로만 일어난다. • 즉, 자연 현상의 방향성(비가역성)에 대한 설명 • 켈빈-플랑크의 정의: 역학적인 일은 전부 열로 바꿀 수 있으나, 열을 전부 일로 바꾸는 것은 불가능하다. • 즉, 열효율이 100%인 열기관(제 2종 영구기관)은 만들 수 없다. • 클라우지우스의 정의: 열은 스스로 저온의 물체에서 고온의 물체로 이동할 수 없다.

32. Ⅵ-1. 에너지와 문명 - 영구 기관 - • 제1종 영구 기관 • 외부로부터 에너지 공급 없이 계속 일을 할 수 있는 기관 • 열역학 제1법칙인 에너지 보존 법칙에 위배되어 만들 수 없음 • 외부에 일을 한 만큼 그 계의 내부 에너지는 감소하므로 외부에서 에너지를 공급받지 않고 계속 일을 할 수 있는 영구 기관은 없다.

33. -제1종 영구기관

34. Ⅵ-1. 에너지와 문명 영구 기관 • 제2종 영구 기관 • 열효율이 100%인 기관으로 열을 전부일로 바꾸는 기관 • 열역학 제2법칙에 위배되므로 만들 수 없다. • 에너지 효율 • 열기관 이외에도 다양한 에너지 전환장치들이 에너지를 전환하는 과정에서 의도한 에너지형태로 전환한 비율 • 발전기 – 99% 태양열집열기– 62% 태양전지 – 20% • 인체 – 10% 형광등 – 25% 백열전구 – 5%

35. Ⅵ-1. 에너지와 문명 • 자동차에서의 에너지 전환

36. Ⅵ-1. 에너지와 문명 - 열섬효과 • 사람들이 많이 모여 사는 도시에서는 냉난방과 자동차 운행에 따른 연료의 사용 등 여러 요인에 의해 도시 외곽보다 온도가 높아지는 현상 • 고층 건물이 빽빽이 들어선 도심은 바람의 통로가 막혀 대류에 의한 열의 이동이방해를 받는다. • 콘크리트 건물과 아스팔트 포장도로는 녹지보다 더 많은 열을 흡수하고 방출한다. • 냉난방 장치나 자동차와 같은 많은 열원 및 이들의 가동에 따른 대기 오염으로 인한 온실 효과

37. 1. 소비전력이 100W이고 에너지 효율이 8%인 백열전구를 정격전압 220V에 연결하였다. 이 백열전구에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고르시오. (단, 백열전구에서 전기에너지는 빛과 열에너지로만 전환된다.)  < 보기 > ㄱ. 1초 동안 백열전구에서 소비한 전기에너지는 100J이다. ㄴ. 1초 동안 백열전구에서 방출한 빛에너지는8J이다. ㄷ. 1초 동안 백열전구에서 방출한 열에너지는 92J이다.

38. 2. 다음은 열역학 제2법칙에 대한 설명이다. 옳지 않은 것을 고르시오.  ㄱ. 엔트로피는 ‘무질서도’라고도 하며 물질의 분포상태가 흩어진 정도를 나타낸다. ㄴ. 자연계에서 물질계는 엔트로피가 증가하는 방향으로 자발적인 변화가 일어난다. ㄷ. 고립된 물질계에서 발생하는 모든 반응은 엔트로피가 항상 증가하는 방향으로 일어난다. ㄹ. 일은 모두 열로 전환될 수 있으며 열도 모두 일로 전환될 수 있다. ㅁ. 제2종 영구기관은 열역학 제2법칙에 위배되므로 만들 수 없는 가상의 기관이다.

39. 3. 그림과 같이 정지하고 있던 실린더에 열을 가하였더니 일정한 높이(h) 를올라간 후에 정지하였다. 단, 피스톤의 단면적은 A이고 대기압은 P이며피스톤과 실린더 사이에 마찰은 없다. a. 그림에 대한 설명이 바르게 된 것을 모두 고르시오. <보기> ㄱ. 열을 가하기 전과 열을 가한 후에 실린더에 가해지는 기체의 압력은 같다. ㄴ. 열을 받은 후 기체가 한 일의 양은 PAh이다. ㄷ. 실린더에 가해진 열은 모두 기체가 일을 하는데 사용되었다. b. 이 그림과 관계 깊은 법칙은?