내가 고등학교 다닐때 부터 궁굼했던건데...
초출(211.217)
2005-06-14 23:32
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온도란 무엇일까요? 그 물질이 가지고 있는 에너지의 양이 관측되는 한 방법이겠죠? 기체가 온도가 높다는 것은 무엇일까요? 기체분자가 가진 에너지가 높다는 것을 의미할 수 있겠죠? 기체분자가 가지고 있는 에너지가 높으면???
온도란 늘쌍 사용하지만, 지극히 추상적인 개념이라는 생각이 한편으론 드네염.
그렇죠... 지리즈님이 첫번째 올린 답글은 현상에 대한 설명으로 정확한 표현이죠.. 기체의 부피, 온도, 압력의 관계를 설명하는 표현이죠.... 제가 상정한 실험은 조금 다른 얘기죠... 온도가 무자게 추상적인 거라는 거에는 저도 동의함...
네이버 백과사전의 온도의 정의입니다.
\"보통 온도계에 새겨진 눈금으로 표시한다. 물체의 상태를 나타내는 양의 하나로서, 통계역학에서는 물질 내에 있는 원자 또는 분자의 평균운동에너지라고 정의한다. 일상생활에서는 열과 혼동하여 사용하는 경우가 많은데, 열은 물체에 출입하는 총에너지의 양인 반면, 온도는 물체가 가지고 있는 에너지의 수준이다.\"
1) 입자가 병진운동에너지만을 가진다면 속도가 증가합니다. (엄밀하게 말하면 \'속도가 증가해서 온도가 올라갔다\' 라고 해야합니다.) 2) 병진운동만 있다고 가정하면, 움직입니다.
온도는 열역학적 평형 상태에서만 정의될 수 있는 \'거시적인\' 물리량입니다.
온도를 아예 평균운동에너지로 정의해버렸군요... 그럼 질문은 열을 가하면 온도가 올라갈까?? 로 바꿔야 되는 거 군요... 그럼 상정한 실험에서 기체분자의 속도가 빨라지지 않는다면... 열을 가해도 온도를 올릴 수 없다는????
그렇게 되겠죠.
열을 가해도 온도가 올라가지 않는 경우들이 많습니다. 대표적인 것이 상전이 같은 경우이지요.
흐음님// 속도가 증가해서 온도가 올라갔다가 맞다고 보는데... 병진운동만 있다고 가정해도.. 어떻게 현상(속도증가)을 단정할 수 있을까요 ?? 물론 네이버의 정의대로면 평균에너지니까... 속도가 증가한다고하면... 회전이나 진동운동의 경우에도 마찬가지일 거구요...
시스템을 이루는 입자들에 에너지를 더 이상 축적시키지 못하는 경우에 더 많은 열을 공급하려고 해도 시스템에 에너지를 더 이상 집어넣을 수 없게 되어서 온도가 더 이상 올라가지 않게도 됩니다.
내가 왜 이런 생각을 했는지가 미스테리.... 고1때부터 지금까지 한 20년 고민했음....
파인맛님// 그런 시스템이 기체분자의 운동에도 적용가능한 것인가요 ???
열역학에서 온도는 엔트로피 변화에 따른 시스템의 에너지 변화량과 같습니다. (사실은 편미분)
이상기체와 같은 경우는 에너지를 무한히 집어넣어줄 수 있으니 온도를 무한정 올릴 수 있지요.
(거의 모르지만 감으로 때리면) 그 에너지 변화량이 왜 하필이면 기체분자의 속도변화로 나타나는가?? 이런 질문은 우매한건가요 ??
자...어떻게했든지간에 온도가 올라갔습니다. 그러면 시스템은 공급된 만큼의 에너지를 어딘가에서 표현해야 합니다. 만일 입자의 내부구조가 무시된다면 에너지가 표현될 수 있는 방법은 오로지 병진운동 밖에는 없게되지요. 만일 진동이나 회전운동도 가능하다면 에너지는 이 세가지 자유도에 적절하게 배치될 것입니다.
기체 분자의 진동과 회전으로도 에너지가 갑니다. 이상기체의 경우는 단원자 분자를 가정해서 3/2NkT 가 나오는거고 원자 여러개가 합쳐지는 경우 자유도당 1/2kT 씩이 더해집니다.
Nk = nR 입니다. N은 입자의 갯수, k는 볼츠만 상수, n은 몰수, R은 아보가드로 수
더 빨리 진동한다거나... 더 빨리 회전한다거나... 이게 왜 그런가가 궁굼한건데요...
\'더 빨리 진동, 더 빨리 회전\'이 무슨 이야기인지 조금 더 상세하게 이야기해 주세요.
아.. 흐음님한테 한 겁니다.. 파인맛님 얘기도 중복되긴하지만.. 병진운동의 경우에만 속도가 증가한다고(흐음님) 처음에 기술했다가.. 이후에 진동이나 회전운동에도 적절히 배치될 것이라고 한거에...파인맛님도 같은 견해군요...
.... 자연계에 존재하는 5대 힘(??) 만유인력, 강한상호작용, 약한상호작용.. 또 뭐가 있었죠 ??
온도가 올라감->원자가 들뜨면서 자체 에너지로 불안정해짐(맞나 모르겠지만..)->진동함. 여기서 뉴턴 1법칙 관성. 외부의 힘이 없을 경우 물체는 등속직선. 공기는 원자단위며 그 공간은 진공 따라서 저항력은 오로지 다른 원자와의 충돌. 공기는 기존의 속도가 있다. 원자들과 부디끼면서. 그리고 그 기존 속력으로 존내 등직운동하다가 어딘가에 들이 받는다. 이때 진동 때문에 튕겨 나갈때 에너지를 더 받는다. 점점 온도가 올라감에 따라 속도가 증가. 맞는지 모르겠지만... 저의 가정입니다.
파티클캐논님// 예... 왜 진동이 빨라질까요 ??? 이거만 설명되면.. 부딛치기 전에 걍 속도가 빨라져도 상관 없을 겁니다..
온도의 증가 혹은 열을 공급이 자연계의 기본힘(수학에서 공리??와 같은)을 기체분자에 증가시킬 수 있는 것이 있나요 ???
이 상황에서 알 수 있는것은 \'시스템이 높아진 에너지만큼 변화해야 한다\' 라는 것입니다. 그것이 \'어떻게 변화할것인가?\' 에 관해서는 알 수 있는 방법이 없죠. 그러나 \'병진운동만 있다면\' 이라는 가정을 할 경우에는 \'어떻게\'도 알 수 있습니다. 왜냐면 에너지가 높아지는 유일한 방법이 속도가 높아지는 것이거든요. 하지만 회전, 진동운동도 가능한 입자를 가정할 경우에는 속도만 빨리질수도, 회전만 빨라질수도, 진동만 빨라질수도 있고, 셋다 빨라질수도 있고.............. 기타등등 어떻게 될지는 아무도 모릅니다. 그러나 세가지중 적어도 하나는 빨라져야 합니다. 다만 경험상 세가지가 모두 빨라지긴 합니다.
이 가정은 \'진동운동만 할 경우\' 또는 \'회전운동만 하는 경우\' 에도 똑같이 적용될 수 있습니다.
흐음님//시스템이 높아진 에너지만큼 변화해야한다 -> 어떻게 변화할 것인가? 이건 모르겠지만.. 병진, 회전, 진동 이런게 빨라져야 한다.. 이런얘기네요..
대략 그런뜻입니다. 실제상황은 훨씬 더 복잡하긴 하지만 적어도 원리적으로는 그렇습니다. \'온도의 증가 혹은 열을 공급이 자연계의 기본힘(수학에서 공리??와 같은)을 기체분자에 증가시킬 수 있는 것이 있나요 ?\' 이 질문이 잘 이해가 안가는데, 일단 온도는 위에 말한대로 평균에너지의 표현이므로 제외하고 \'열의 공급이 기체분자의 에너지를 전달할수 있습니까?\' 라는 질문으로 파악하고 답변드리겠습니다.
고전 열역학에서 회전, 진동, 병진운동 각각에 대해 모두 같은 양의 에너지가 분배될 것이라고 기대됩니다. 등분배의 원리라고 합니다. 병진 운동의 경우만 생각해 보면 x, y, z 축으로 운동하는데, 시스템이 평형 상태에 있다면 운동 에너지가 특정 방향으로 쏠릴 이유가 없으므로 각각의 방향에 대해 같은 양의 에너지가 분배되지요. 그런데 이것은 회전이나 진동과 같은 다른 방식의 운동에 대해서도 같은 식으로 적용될 것이므로 (고전 열역학에서) 각각의 자유도당 같은 양의 에너지가 분배됩니다. 평형 상태에서는 어느 한 쪽으로 쏠리지 않으니깐요.
파인맛//상태변화에 필요한 에너지가 크다는 것은 이해가 되는데요... 에너지 계를 맞추기 위해서 병진, 회전, 진동 속도가 빨라져야 한다는 것은 좀 이해하기가... 그럼 기체분자 자체의 온도는 일정할까요.. 에너지를 운동으로 다 표현해 주기 위해서 ... 우리가 온도계로 재는 건 기체분자의 온도 일까요.. 아님 기체분자가 온도계를 더 많이 때려서 발생하는 마찰열이까요 ?? 아님 제가 억지를 부리고 있는 걸까요 ???
흐음님//자연계의 기본힘이라구.. 왜 학자들이 왜 생기는지는 모르지만.. 생긴다고 한 힘이 있지요... 십수년전에 그 힘들을 다 합쳐서 하나의 이론으로 설명가능해 졌다구 했던걸로(다는 아니고 한두개 빼고) 기억하는데...
답은 \'네\' 입니다. 열을 전달하는 방법을 크게 두가지로 나누어보면 입자끼리 직접 부딧쳐서 전달되는 방식이 있는데, 이 경우는 힘의 전달이 명백합니다. 두번째로는 보통 \'열\' 하면 떠올릴 수 있는 \'불가에 있으면 뜨끈뜨끈한\' 방식, 즉 복사가 있습니다. 이 복사열이 기계적 에너지인 운동에너지를 높인다는것이 직관적으로 잘 이해되지 않는것은 사실이지만 복사열은 사실상 특정 파장대의 (적외선) 전자기파 입니다. 현실의 입자는 핵과 전자라는 전하로 구성되어 있고 이들은 전자기파와 상호작용을 합니다. 즉 전자기파를 받은 입자는 파를 흡수하면서 에너지가 증가하게 되고 대신 기계적에너지가 증가하게 되지요. 여기까지는 간단한 설명이었고, 실제 과정은 양자역학을 이해해야 하지만 직관을 잡는데는 큰 무리가 없을것입니다.
통합장 이론이 그거던가...아닌가...
시스템에 열 에너지가 유입되었다고 합시다. 유입된 에너지는 어디로 갑니까? 이상기체에서는 위치 에너지로 에너지를 축적할 방법이 없으니 운동 에너지로 가겠지요. 회전 운동, 진동 운동, 그리고 병진 운동 세 가지 방식이 있고, 거기로 에너지가 분배된 겁니다.
통일장이론이 그게 맞긴한데... 본 질문과는 아무 상관없는 이야기인듯 하네요.
자연계의 기본 상호작용과 고전적인 열역학과는 별 상관은 없습니다.
흐음님 파인맛님//공통적으로 말씀하시는 것이 에너지가 유입되었고 이로부터 운동(회전, 병진, 진동)에너지가 증가할 수 밖에 없다. 이런 얘기네요... 그럼 에너지증가 -> 운동에너지 증가 사이는 블랙박스군요..
에너지를 \'어떻게\' 공급했는가를 미지수로 남겨놓는한 그 사이는 블랙박스일수밖에 없습니다.
글구 저는 기본상호작용을 변화시키는 어떤 요인이 온도변화로 가능한지(속도증가 등)를 연관시킬려고 한거구요.. 상관없어 보여서 더 갸우뚱해지고요...
시스템의 에너지를 증가시키기 위해서는 결국 시스템과 외부의 열원을 접촉시켜주어야 하는데 접촉 면에 있는 분자들의 진동이나 방출되는 전자기파가 시스템 안에 있는 분자들과 충돌하는 과정에서 전달되겠지요. 이 때는 단순히 물체 두 개가 충돌하는 것으로 생각하셔도 될 것 같은데요.. 탁구채를 덜덜덜 떨고 있을 때 그 위에 탁구공 올려 놓으면 더 높이 튀어오르잖아요.
두분의 얘기를 종합하면 상정한 실험은 상정조차 할 수 없는 실험인것 같네요.. 흐음님이 얘기한 \'어떻게\'의 문제도 있고... 같은 얘기이지만 파인맛님의 시스템과 외부의 열원을 접촉시키는 부분... 대략 20년 동안 상정조차 안되는 문제를 고민한 꼴 이네요..ㅋㅋㅋ..
위에서 이야기하신 단일 분자만 가지고 하는 실험은 열역학적인 온도의 개념을 적용하기에는 시스템의 입자의 수가 너무 적습니다.
입자의 수가 너무 적어서 열역학적인 온도의 개념을 적용할 수 없다면... 다른 설명방법은 없는 걸까요 ???
열이란 간단히 말해서 분자의 운동에너지입니다. 따라서 온도가 올라가면 분자는 더욱 격렬하고 빨리 움직이고, 따라서 기체는 팽창합니다.
저저저저기~~~ 열에 대해서 정확한 개념이 없으신 분은 엔트로피에 관한 책들을 몇개 읽어보세요... 그런걸 읽고 재대로 대충 이해하고 스스로 생각해 볼 수 있다면 학교에서 배우는 것 따위는 개 밥 입니다.
엔트로피의 개념을 알고나면 설명이 완벽하게 이해가 될겁니다 . ---------------- 일단 열이란 분자의 운동에 의한거고 에너지를 많이 가하게되면 그만큼 분자 운동이 활발해지겠죠? 여기서 이딴게 중요한게 아니라... 압축되니까 분자 충돌 횟수가 많아지고 많이진 만큼 분자가 가진 에너지를 노벽에 부딪힘으로써 전해주는거죠 그 에너지 형태는 열이고요 - 다시, 열이란건 분자의 운동입니다. - 일단 그게 다에요
다라고 하면 솔직히 구라고 아 -_- 무지한... 학교에서는 엔트로피도 안가르치나?? 글케 어려운 개념도 아닌데 ㅠ
머.. 솔직히 말하자면 내가 설명도 제대로 못하는데 -_- 학교교육이래밨자..
죄송 주저리 ~_~ 오늘따라 넘흐 떙기네효 뻘글 지송
사실 온도-차갑다 따뜻하다 라는 개념은 물리학에서 보면 아주 추상적이고 관념적인 개념이죠. 그런데, 이걸 우리가 실제로 느끼기 때문에, 여기서 출발하는 선입관으로 인해 시스템내의 입자운동으로 설명하는 물리학적 온도개념과 충돌하는 것이죠. \"느낄 수 있는 것은 허상이다.\" 이것은 과학을 접하는 사람들로서 극복하기 어려운 아주 어려운 난관중에 하나입니다.
그런 어려움에 처하면, 우리가 어떤 식으로 이러한 허상을 인지하고 있는지, 그 방법부터 이해해야 합니다.
온도와 같은 경우는 온도를 감지하는 신경세포가 있고, 이 신경세포는 자신의 구성하는 분자들의 안정성을 다른 형태의 신호로 전환할 수 있는 세포라는 것에서 출발해볼 필요가 있습니다.
고기를 굽죠. 익는 다는 것은 무엇일까요? 익는 다는 것은 담백질과 같은 조직을 구성하는 여러 분자가 높은 에너지를 얻어게 되면서 수소결합이 풀리거나 아니면 화학반응등을 하면서 다른 형태의 분자구조로 변환되는 것이겠죠.
그럼 고기가 타는 것은 무엇일까요? 이것은 온도와 무관한 면도 있습니다. 조직을 구성하는 분자가 산소와 결합해서 다른 종류의 화학물질로 변환함일 겁니다.
온도계는 어떤 원리죠? 온도계의 수치란 결국 수은이 얼마만큼 팽창했느냐를 기준으로 정해진 것이죠. 결국 수은분자의 운동량에 따라 결정되는 것입니다.
결국 기존의 아주 당연시 여기고 있던 많은 현상들에 대한 우리의 인식이 허상에서 출발하고 있음을 이해해야만 그 다음의 진실을 바라볼 수 있습니다.
다시한번 질문해보죠... 온도란 무엇인가? 여기서 다시 출발해야 합니다.
지리즈님//그래서 한 일년반 정도 전부터 온도가 무엇인가란 고민에 빠져 있음다...
열역학, 통계역학을 공부하시면 되겠지만 진입 장벽이 있군요...
흐음.......