[理知논술/대입 통합교과 논술]과학논술<5>일과 에너지

푄현상에 의해 바람의 성질이 달라지는 과정을 논술하시오

에너지는 복사에너지, 열에너지, 화학에너지, 위치에너지 등 여러 가지 형태를 가지고 있다. 에너지는 일을 할 수 있는 능력으로 계에 가한 일은 화학 반응을 일으키거나 입자의 에너지를 증가시킨다.

제시자료 1. 에너지

에너지(energy)는 일할 수 있는 능력 혹은 열을 공급할 수 있는 능력으로 정의되며 ‘에너지 = 일 + 열’로 나타낼 수 있다. 역학적 에너지는 운동에너지와 위치에너지가 있다.

물체는 위치에 따라 에너지를 저장할 수 있고 이렇게 저장된 에너지를 위치에너지 라고 부른다. 지표로부터 h의 높이에 있는 질량 m인 물체가 가지는 중력 위치에너지=m g h로 나타낼 수 있다. 연료가 지니는 화학에너지는 미시적인 관점에서 볼 때 위치에너지이다. 분자 내 또는 분자 사이의 전하 위치가 바뀔 때 즉, 화학 반응이 일어날 때 위치에너지를 얻을 수 있다. 화석연료인 부탄을 연소시키면 많은 양의 열이 발생하는데, 이 반응에서 부탄은 탄소와 탄소, 또는 탄소와 수소의 결합에 에너지를 저장하고 있다가 그 결합을 끊어 이산화탄소와 물이 되면서 반응물과 생성물의 에너지 차이만큼을 열의 형태로 외부로 방출하는 것이다. 이것이 화학에너지로 저장된 화학적 위치에너지이다.

운동에너지 는 물체의 운동에 관련된 에너지이다. 질량이 m이고 속도가 v로 움직이는 어떤 물체의 운동에너지는

로 표현된다.

물체가 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지면 높이 차이에 해당하는 만큼의 위치에너지가 운동에너지로 전환되며 운동에너지의 일부가 열의 형태로 방출되기도 한다.

제시자료 2. 에너지 보존과 단열 변화

열역학 제1법칙(=에너지 보존 법칙)에 의하면, 에너지는 다른 종류의 에너지로 전환될 수 있지만 그 총량은 일정하다. 또한 일을 할 수 있는 능력을 의미하는 에너지의 정의에 비추어 볼 때 어떤 계가 외부에 일을 하면 자신의 에너지는 감소되고 외부는 일을 받아 에너지가 증가하는 것을 알 수 있다.

외부로부터 열에너지의 출입이 없는 단열 변화에서 에너지의 양은 일정하고, 이는 계의 내부에너지와 외부에 한 일의 합이 된다. 단열팽창의 경우 외부에 일을 한 만큼 내부에너지는 감소하고 온도가 내려간다. 단열압축은 외부로부터 일을 받은 것이며 그에 따라 내부에너지는 증가하며 온도가 상승한다.

제시자료 3. 푄현상

푄현상은 수증기를 많이 포함하고 있는 공기가 높은 산맥을 넘을 때, 산맥의 한쪽에는 비를 내리고 반대쪽에는 고온 건조한 바람이 부는 현상이다. 우리나라에서는 푄현상에 의한 바람을 높새바람이라 하는데, 고어로 높새는 동풍이란 뜻이다. 이 바람은 동해에서 수증기를 공급받은 습윤한 공기가 태백산맥을 넘어올 때 영동 지방에는 비를 뿌리고 산맥을 넘은 후 영서 지방에 고온 건조한 바람으로 변해 농작물에 큰 피해를 주는 일이 많다.

<논제 1> 강희맹은 ‘금양잡록’에 “영동 사람들은 농사철에 동풍이 불기를 바라고 호서·경기·호남 사람들은 동풍을 싫어하고 서풍이 불기를 바란다. 이러한 까닭은 그 바람이 산을 넘어 불어오기 때문이다”라고 적고 있다. 태백산맥의 서쪽에 사는 사람들은 동풍이 부는 것을 싫어하였는데, 산맥을 넘기 전과 넘은 후의 바람의 성질이 달라지기 때문이다. 산맥을 넘으면서 바람의 성질이 달라지는 과정과 이 바람에 의해 일어날 수 있는 피해에 대해 논술하시오.

<논제 2> 초전도체나 냉동식품을 만들기 위해 액체 헬륨(끓는점 ―269도)이나 액체 질소(끓는점 ―196도)를 사용하는데 이들 기체의 끓는점은 매우 낮아서 보통의 냉동장치로는 액화시킬 수 없다. 이들 기체를 액화시킬 수 있는 장치의 작동 원리를 과학적 근거를 들어 구체적으로 논술하시오.

박원청정 선생님 청솔학원 통합교과형 논술 과학 탐구팀 강사