열의 전기적 일당량

   - 열의 전기적 일당량 실험을 통해 전기적 일과 열에너지 사이의 등가성을 이해하고 에너지 보존 법칙을 학습할 수 있다.

   - 열의 전기적 일당량 실험에서는 전기 에너지와 전류의 열 작용으로 발생된 열량을 측정하여 열의 일당량을 확인한다.

   - 열량계를 사용하여 실험 중 열손실을 최소화할 수 있다.

   - Vernier MBL 센서를 이용하여 정밀한 측정이 가능하다.

열의 전기적 일당량 (K4.2.20)

열의 전기적 일당량[무선] (K4.2.20-G)

1) 열역학 법칙

열역학 법칙은 열역학적 과정에서 열과 일에 관한 법칙이다. 열역학 법칙은 네 가지가 있으며 각 법칙은 열역학적 계에서의 기본적인 물리량을 정의한다.

- 열역학 제0법칙: 두 개의 계 A, B가 또 다른 계인 C와 각각 열평형상태일 때 A와 B는 반드시 열평형상태이다.  Tip. 열평형상태란 열의 이동이 없는 상태이다.

- 열역학 제1법칙: 고립된 계의 에너지 총량은 보존된다. 즉, 어떤 계의 내부 에너지 증가 량(U)은 계에 더해진 열 에너지(Q)에서 계가 외부에 해준 일(W)을 뺀 것과 같다. (에너지 보존법칙)

- 열역학 제2법칙: 고립된 계의 엔트로피는 더 작은 상태로 진행하지 않는다. 또한 엔트로피를 최대화하기 위해 계속 변화한다. 

- 열역학 제3법칙: 고립된 계의 온도가 0으로 근접하면 계의 엔트로피가 일정한 값을 가진다.

2) 열의 전기적 일당량

열역학 제1법칙에 따라 열 에너지가 소비되면 열에너지는 다른 에너지로의 전환된다. 열의 일당량(J)은 열에너지(Q)가 얼마만큼의 역학적 에너지(W)로 전환될 수 있는가에 대한 값을 의미한다. 반대로 역학적 에너지가 얼마만큼의 열에너지로 전환될 수 있는가에 대한 값은 일의 열당량이라고 한다.

- 열의 일당량: W=JQ

- 일의 열당량: Q=W/J

이 실험에서는 전기저항 인 저항선에 전위차(V)를 주어 전류(i)를 초 동안 흘려 보낸다. 이때 소비되는 전기에너지는 아래와 같이 표현할 수 있다. 

소비되는 전기에너지는 열 에너지로 전환된다. 비열(c), 질량(m), 물 당량(w)인 물이 담겨있는 열량계의 전기에너지를 소비하기 전 온도가 초 동안 전기에너지를 소비한 후 온도로 올라갔다고 할 때 물이 흡수한 열 에너지(Q)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

열역학 제1법칙 식에 다음 식을 대입하여 열의 일당량에 관한 식을 얻는다.

Vernier MBL센서 또는 온도계를 사용하여 물의 온도, 전압, 전류를 정밀하게 측정하고 열의 일당량을 확인할 수 있다.