열역학_2.4. 에너지와 열_예제

1. 운동 에너지

예제 1: 질량이 1,000 kg인 자동차가 20 m/s의 속도로 달리고 있다. 이 자동차의 운동 에너지(J)는 얼마인가?

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예제 2: 질량이 0.5 kg인 공이 100 J의 운동 에너지를 가지고 날아가고 있다. 이 공의 속도(m/s)는 얼마인가?

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2. 위치 에너지

예제 1: 질량이 2 kg인 책이 바닥으로부터 3 m 높이의 선반 위에 놓여 있다. 이 책이 바닥에 대해 갖는 위치 에너지(J)는 얼마인가? (단, 중력가속도 g = 9.8 m/s²로 계산한다.)

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예제 2: 질량이 5 kg인 물체를 들어 올려 490 J의 위치 에너지를 갖게 만들었다. 물체는 바닥으로부터 몇 m 높이에 있는가? (단, 중력가속도 g = 9.8 m/s²로 계산한다.)

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3. 현열

예제 1: 2 kg의 물을 20℃에서 70℃까지 가열하는 데 필요한 열량(J)은 얼마인가? (단, 물의 비열 c = 4,200 J/(kg·℃)로 계산한다.)

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예제 2: 온도가 200℃이고 질량이 1 kg인 철 조각을 공기 중에 식혀 50℃로 만들었다. 이 과정에서 철이 방출한 열량(J)은 얼마인가? (단, 철의 비열 c = 450 J/(kg·℃)로 계산한다.)

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4. 열평형

예제 1: 80℃의 뜨거운 물 1 kg과 20℃의 차가운 물 3 kg을 단열된 용기에서 섞었다. 최종적으로 도달하게 될 평형 온도는 몇 ℃인가? (단, 물의 비열은 일정하다고 가정한다.)

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예제 2: 20℃의 물 2 kg이 담긴 용기에 100℃로 가열된 0.5 kg의 구리 조각을 넣었다. 열평형 상태에 도달했을 때 물의 최종 온도는 몇 ℃인가? (단, 외부와의 열 교환은 무시하며, 물의 비열은 4,200 J/(kg·℃), 구리의 비열은 380 J/(kg·℃)로 계산한다.)

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5. 잠열

예제 1: 0℃의 얼음 2 kg을 모두 0℃의 물로 녹이는 데 필요한 열량(kJ)은 얼마인가? (단, 물의 융해 잠열은 334 kJ/kg이다.)

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예제 2: 100℃의 물을 100℃의 수증기로 완전히 기화시키기 위해 4,520 kJ의 열을 가했다. 기화된 물의 질량(kg)은 얼마인가? (단, 물의 기화 잠열은 2,260 kJ/kg이다.)