인력은 질량을 갖고 있는 물체라면 모두 갖고 있는 힘 입니다. 분자간 인력을 끊으려면 외부로부터 에너지를 얻어야 합니다. 고체가 액체가 되려면 녹는점 이상의 에너지를 가해 주어야 하고, 액체가 가체가 되려면 끓는 점 이상의 에너지를 가해 주어야 됩니다. 분자가 가지고 있는 에너지는 기체>> 액체> 고체 순 입니다.
교과서에 구름이 만들어지는 원리에 나오는 단열팽창하고 수증기가 응결되는 것은
H2O(물) 분자간 인력이 갑자기 강해져서 생긴 결과는 아닙니다.
고도가 높아질수록(지표면에서 떨어질 수록) 수증기를 누르는 힘(기압)이 낮아진다(=지구 중심에서 멀어 질 수록 공기, 수증기를 잡아 당기는 중력, 만유인력은 줄어드니까. 기압 단위는 수은을 공기기둥이 누르는 압력으로 측정하죠? )는 가정하에, 수증기가 스스로 차가워진 것 입니다. 상공의 공기가 차가워서 공기에 의해 뜨거운 수증기가 냉각 된 것이 아니라!.!.! 상공으로 갈 수록 공기는 옅어지고 없다는 가정으로 수증기의 열을 뺏을 공기가 별로 없고,(이상에만 존재하는 물리시긴에 마찰력없이 영원히 굴러가는 쇠구슬 같은 에너지가 보존되는 닫힌계를 생각해야 함.) 수증기를 사방을 누르는 압력도 줄어들어 수증기가 자연스럽게 퍼져 나가면서 수증기의 온도가 낮아졌다는 특수한 조건의 상황입니다. (이 부분은 주전자에서 끓인 수증기가 외부의 차가운 공기에 식어서 도로 액체인 김 같은 상황이 아님.) 열에 의한게 아니라 압력과 부피에 의한 온도 변화)
잘 막은 주사기 피스톤을 바깥으로 당기면 부피가 늘어나 온도가 낮아지고(압력이 낮은 상황), 피스톤을 누르면 (압력이 높은 상황) 부피가 줄어들고(압축) 온도가 낮아지는 예를 생각하시면 됩니다.
어쨋든 저런 것이 이해가 되지 않아도,
지표면에선 따뜻했지만, 수증기도 공기도 상공에서 차갑다는건 맞아요.
따뜻하기 때문에 원래 녹을 수 있는 양보다 많이 녹은 채로 올라왔던 수증기가 어느 수준까지는 팽창하고 상승하다가 어느 수준에 도달하면 온도가 낮아지면서 밀도가 높아져 다시 하강하게 되는데, 공기도 상승할 수록 같은 원리로 차가워졌기 때문에 더 이상 따뜻했던 공기만큼 수증기를 녹일 수 없게 되고 차가운 공기에 녹일 수 없는 수증기가 용출돼서 응결되게 된겁니다.
포화수증기량은 물에(용매) 소금을(용질) 녹이는 것을 생각해 보면 쉽습니다. 원래 물보다는 물을 따뜻하게 해주면 소금을 더 많이 녹일(용해) 수 있죠?(포화)
기체도 똑같이 기체에 기체가 녹아 있는 상태입니다. 온도가 높아질 수록 용해도가 증가했는데
차갑게 식히면 더 이상 따뜻할 때 만큼 녹이지 못하게 되고, 녹지 못하는 소금이 결정으로 용출(고체)되는데 , 공기가 따뜻해서 왕창 녹을 수 있던(포화상태) 수능기가 차가운 공기에서 녹을 수 없는 만큼 다시 응결된거죠.
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*우선 인력(:힘, 에너지의 한 종류) 질량을 가지는 것이라면 어느것이나 인력을 가질 수 있습니다.
인력은 액체가 고체로 될 때 작용하는 힘이라기 보다는 질량에 비례하고 거리에 반비례하는 힘이라고 만유인력이나 중력처럼 생각하는게 좋습니다.
분자의 질량에는 변화가 없기 때문에 인력이 더 커져서 응결된다는 전제가 틀렸는데,
분자간의 거리가 줄어 들려면( 압축) 줄어든 만큼 상승해야하는 에너지가 있어야 합니다.
또 기체>>액체>고체 순으로 에너지 준위가 높기 때문에 불가능한 반응 입니다.
- 액체+에너지=> 기체
- 기체=> 외부로 발산되는 에너지 + 액체
이렇게 됩니다.
액화되거나 응고되는것른 서로 붙으려는 힘(인력)이 생기는게 아니라, 서로 떨어질 힘이 없는게 고체입니다.
"고체상태의 분자가 액체나 기체 상태가 되기 위해 서는 분자간의 인력을 끊기 위해 에너지가 필요하다." / "A액체의 끓는점이 B액체의 끓는점보다 높은 것은 A액체의 분자가 극성을 띠어서 분자간 인력이 크기 때문에 이를 끊는데 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다" 이런식으로 사용하는것이 더 바람직 할 것 같습니다.
* 분자간 에너지 상태
- 기체>>액체> 고체 상태 순으로 가지고 있는 에너지가 높습니다. (= 끓는점>> 녹는점)
- 같은 질량(무게)의 분자가 차지하는 부피는
기체>>액체> 고체 순으로 큽니다.
- 질량이 일정할 때 압력과 부피와 반비례, 압력과 밀도는 비례
* 일= 질량을 가진 물체에 일정한 에너지(힘)가해 움직이거나 어떻게 한 것.
* 에너지 총량 보존 법칙:
에너지(힘)의 종류는 위치에너지, 열에너지, 운동에너지 등이 있습니다. (중력, 마찰력, 압력, 중력..화학적 에너지 등등이 있지만 위치 열 운동만 기억해도 이해 할 수 있음. ) 외부로 유출이 없다면 에너지가 다른 에너지로 변환되더라도 총량, 총 합계는 늘 같습니다. 줄어든게 있으면 늘어난게 있다.
사라진게 아니라 다른 형태로 바뀐 것. 일의 양은 같음. 하지만 이런 완벽한 공간은 존재하지 않는 이상적인 공간입니다. (영구기관이 존재할 수 없는 이유.)
예)
-물에 불을 가해서 끓어 수증기가 되는 것=>
(불의 열 에너지가 운동에너지로 바뀐 것.)
-주사기에 기체를 넣고 피스톤을 밀어서 압축하면 부피는 줄지만(위치에너지감소) 압력은 상승함.)
-막대기를 많이 비비면(운동에너지) 마찰열로( 열에너지) 불을 피울 수 있음)
총량에는 변함이 없으나 형태가 바뀜.
*단열 팽창:
(단열 팽창: 단열(열의 출입(들어오고 빠져나감이 없는데) 팽창(거리의 증가=> 위치 에너지가 커져서 그만큼 운동에너지 낮아짐.)
(철을 고압 프레스로 압축하면 부피가 작아진 만큼 뜨거워지면서 녹는 것과 반대인 상황.)
에너지의 출입이 차단되고 보존되는 이상속에만 존재하는 공간에서는 분자간의 거리가 멀어진(위치 에너지가 증가한) 만큼 운동에너지가(열이라 생각해도 무방)동일하게 줄어들게 됩니다.
음.. 주먹으로 허벅지를 50대를 때린다고 생각하면 한군데를 짧은 시간에 와다다다 때리면 뜨겁잖아요? 드문 드문 때리면 안 뜨겁고 분자가 움직이면서 서로 사방을 때리고 움직이는걸 압력, 운동에너지라고 생각하고 (운동에너지= 열)로 보면 됨.
단열되는 환경은 (열역학 2법칙같은 열이 완전히 운동에너지로 치환될 수 있는 영구기관이 성립되는 이상적인 상황 공간)
고도가 높아 질수록 공기 덩어리가 사방에서 수증기를 누르는 힘(기압이(압력))낮아집니다.
팽창에 '단열' 이라는 조건이 들어가 있는 것은
고도가 높아질 수록 추워진다는 상식을 배제해야 한다는 것. 따뜻한 공기가 추운 상공에서 열을 빼앗긴 상식적인 상황이 아닙니다.
외부로부터 에너지의 출입이 없는 에너지가 완벽하게 보존되고 치환되는 비일상적이고 특수한 이상적인 상황을 가정한다는 뜻. 일상생활에서는 철, 쭈그러진 풍선 따위에 열을 가하면 부피가 팽창하는데(외부로 부터 열 에너지를 받은 것) 이런 경우가 아니라는 중요한 조건인 겁니다.
- 수증기가 냉각에 의해 (차가운 공기에 의해)수축, 응결됐다 (X)
=> 이건 수증기의 열에너지가 외부(공기중으로) 유출 됐을 때를 말하게 됨. 이건 단열이 아님.!
- 수증기가 외부로부터 열 에너지의 유입이 차단된 조건에서 외부의(공기가 사방에서 누르는)압력이 낮아져 부피가 늘어나면서 온도가 떨어졌다 (O)
* 확산을 생각하면, 고밀도에서 저밀도로 퍼져나가는데에는 에너지의 유입이 필요 없습니다. 확산처럼 자연스럽게 퍼져나간걸 단열팽창이라고 생각하면 이해가 빠를까요?
사실 교과서에서 나타내고자 하는 냉각의 뜻은 스스로 어쨌든 차가워 진 것(주동.능동)을 대충 포함해서 생략해서 쓴건데,
일상에서 두루 쓰이는 냉각 의미를 떠올리면
A를 B로 냉각시킨 것(피동같 느낌이 듦)같으니까요. 동작의 주체를 헷갈릴 만한 어휘로 적으니 작성자는 원인과 결과를 혼동할 수 밖에 없었던것 아닐까요?
과일이 뭐냐 물었을 때 ' 밑씨의 씨방이 자라서 ...' 이런걸 생각하는 사람은 없잖아요?(토마토가 과일이냐 논란이 되는이유. 차라리 열매라고 했으면 과일보다 논란이 됐을까?) 학자들이 기존에 사용하는 단어를 학문적인 용어로 차용하면서 기존단어에 자기 학문에서 내린 새로운 정의를 붙이면서 생기는 일이고, 우리나라 국어사전은 줏대가 없고 개정도 자주 되지 않기 때문에 국어로써 언어학적으로 정의내리거내 실질적으로 사용하는 의미를 반영하지 못하는 측면이 있기 때문에 매해 배우는 학생들만 혼란스럽고 한자 순우리말 영어로 번안된 뜻 3가지 용어를 다 외워야해서 고생인 것 같네요.
