열수철 FACT

메카니카 [비역학편]

열역학 파트를 쓰고 있고, 

그 중 열수철과 피스톤 유형에 대해서 쓰고 있는데

오르비에 찾아보니까 '이건 어려워서 안나와 왜 공부해' 라는 말이 많다.

그래서 분석을 해 보았다.

열수철에서  주로 활용되는 식은 다음과 같다.

1. PV=nRT 

2. 3/2nRT 

3. F=PS

4. V=Sh

5. 열역학 제 1법칙 (Q=ΔU+W), 피스톤의 알짜힘의 크기가 0이다. (힘 평형식)

위의 개념이 주된 개념이고, 이 5가지를 이용하여 열수철 문제를 출제할 수 있다. 

그럼 이 5가지가 출제가 가능한 식인가를 살펴 봄으로서 열수철 출제 가능성도 논할 수 있다고 생각한다.

하나하나 뜯어보자.

1. PV=nRT 

자체적으로는 평가원에 나온적이 있다. 무려 '수능'에 출제 되었다. 

ㄷ선택지 압력과 부피 곱이 일정하다는 것을 활용하지 않고 풀 수 있을까? 

난 없다고 본다. 

2. 3/2nRT 

교과서에 없다. 그래서 출제될 수 없다. 

내부 에너지가 nT에 비례한다 만 있다. 

그런데 저 식 모르더라도 조건을 하나 주면 내부 에너지 변화를 찾을 수 있게끔 출제가 가능하다. 

예를들면 

(가)                                        (나)

(가) 압력과 부피가 P0, V0 인 상태에서 기체에 열량을 가해서 

(나) 압력과 부피가 2P0, 2V0 인 상태로 변했다. 

(가)에서 내부 에너지는 3/2P0V0라는 조건 까지 주고

내부 에너지 변화량은 얼마인가? 라 하면 

이건 22수능에 나온 PV=nRT와 

내부 에너지는 온도에 비례한다는것을 이용하면 

기체의 절대 온도는 (나)에서가 (가)에서의 4배이므로 

(나)에서 내부 에너지가 6P0V0 인걸 알 수 있고 

내부 에너지 변화는  9/2P0V0 라는 사실까지 알 수 있다. 

즉, 내부 에너지를 3/2PV 라는걸 외우지 말게 하고 조건으로 줘버리면 

문제될 것이 없다는 것이다. 

3. F=PS

사실 문제가 된다면 이게 문제이다. 

압력, 힘, 면적 관계는 일부 교과서에만 서술되어 있다. 

결국 못낸다고 생각할 수 있었는데, 

수능이 해당 부분에 대해서 답변한게 있다. 

1) 21919

천재교육 교과서에는 쿨롱법칙 식 자체가 없다. 

한 페이지 분량으로 

'전기력은 전하의 종류가 반대이면 당기고, 같으면 밀어낸다. 

전기력의 크기는 거리가 가까우면 세지고, 멀어지면 약해진다.'

이게 끝이다. 

천재 교육 교과서에는 F= kQq/r^2 식 자체가 없다.

근데 평가원은 정량 계산을 냈다. 

2) 역대 용수철 문제 

천재교육 교과서에는 F=kx, E=1/2kx^2 식이 없다. 

근데 수능엔 나온다. 

아래는 22수능 20번이다.

즉, 평가원은 교과서 공통 범위에 나온 식들만 사용하지 않고 일부 교과서에만 소개된 식도 다룬다. 

F=PA 식도 마찬가지로 생각할 수 있을것이다. 

4. V=Sh

부피는 면적과 높이의 곱이라는것이다. 

해당 부분은 초등 6학년 1학기 때 직육면체의 부피와 2학기때 원기둥의 부피에 대해서 배운다. 

더 이상의 설명은 생략하겠다. 

5. 열역학 제 1법칙 (Q=ΔU+W), 피스톤의 알짜힘의 크기가 0이다. (힘 평형식)

위의 해당 부분은 물리학1 앞 파트에 설명이 되어 있으며, 열역학 제 1법칙은 이미 평가원에서 출제된적이 있다. 

1) 힘 평형식 21909

2) 열역학 제 1법칙 23616

결론 

열수철 나올 수 있다고 본다. 

하지만 난 사설에 잘 안낼꺼다. 

이유는 간단하다. 

출제하면 일부 극성인 사람들이 말도 안되는 근거를 대면서 안나온다고 비난하기 때문에

출제자 입장에서는 쉽게 출제할 수 있는 주제는 아니다.

하지만, 

내부 에너지 조건만 똑바로 준다면, 나머지 부분은 출제하는데 큰 문제는 없다. 

수험생 입장에서 

익숙하고 어렵게 보이며, 여태 나온적 없다고 안 나온다고 착각하지 말고 

대비는 해놓는게 맞지 않을까?