일과 동력 — 힘·거리·시간의 관계와 줄·와트 구분 | 기초 열역학 1.3.2-2
기초 열역학Chapter 01 열역학 기초 › Section 03 단위와 물리량
1.3.2-2 일과 동력
앞 편에서 본 힘과 압력에 이어, 힘이 물체를 움직일 때 하는 일과 일을 하는 빠르기를 살펴봄. W = Fs, P = W/t, P = Fv의 관계를 짚고 줄과 와트를 구별해 읽어 봄.
01일 — 힘이 물체를 움직일 때교재 30p~31p
- 일(Work) — 힘이 물체에 작용하여 힘의 방향으로 이동시켰을 때, 그 힘이 물체에 에너지를 전달했음을 나타내는 물리량.
- 힘과 거리의 곱 — 일정한 힘 F로 힘의 방향을 따라 거리 s만큼 움직였다면 W = Fs.
- 식의 조건 — 힘의 크기뿐 아니라 이동 거리와 방향도 확인. 이 절에서는 힘과 이동 방향이 같은 경우를 다룸.
| 물리량 | 기호 | 계산에 쓰는 단위 |
|---|---|---|
| 일 | W | 줄 J |
| 힘 | F | 뉴턴 N |
| 이동 거리 | s | 미터 m |
상자를 미는 힘에 거리가 더해지면
- 같은 일정한 힘으로 상자를 밀 때, 힘의 방향으로 더 멀리 이동시키면 그 힘이 한 일도 커짐.
- 얼마나 세게, 얼마나 멀리 — 두 값을 곱한다는 뜻이 W = Fs에 담겨 있음. 힘만으로 일의 양을 정할 수는 없음.
02일의 단위 — N·m를 줄로 읽기교재 31p
- 줄(Joule, J) — 일의 SI 단위. 1 N의 힘으로 물체를 힘의 방향으로 1 m 이동시켰을 때의 일.
- 단위의 연결 — 1 J = 1 N·m. 힘을 N, 거리를 m로 넣으면 곱의 결과가 J가 됨.
- 앞 편의 단위와 연결 — J는 일뿐 아니라 에너지와 열량에도 쓰는 단위. 여기서는 힘을 통해 전달된 에너지의 양을 나타냄.
1힘의 단위 맞추기
- 1 kN = 1,000 N
- 문제에 kN이 나오면 N으로 바꾼 뒤 거리와 곱함.
2거리의 단위 맞추기
- 1 cm = 0.01 m
- cm가 나오면 m로 바꿈. N과 m의 조합으로 J를 구함.
교재 예제 1.11은 kN과 cm가 함께 나오는 경우. 공식을 대입하기 전에 힘과 거리의 단위를 먼저 정리하는 것이 출발점.
03일 계산 — 구할 값과 들어 올리는 힘교재 31p~32p
- 일을 구할 때 — 힘과 거리를 곱하는 W = Fs를 사용.
- 힘이나 거리를 구할 때 — 같은 식을 F = W/s, s = W/F로 정리.
- 들어 올리는 경우 — 교재 예제처럼 물체를 일정한 속도로 들어 올리면 필요한 힘은 물체의 무게 mg와 같음.
| 주어진 조건 | 먼저 할 일 | 계산의 연결 |
|---|---|---|
| 힘과 거리 | N과 m로 단위 통일 | W = Fs |
| 일과 거리 | 일을 J, 거리를 m로 확인 | F = W/s |
| 질량과 높이 | 일정한 속도로 들어 올리는 조건 확인 | F = mg를 구해 W = Fs에 적용 |
- 질량을 힘처럼 넣지 않기 — kg으로 주어진 질량을 그대로 F 자리에 넣지 않음. 무게를 구할 때는 지정된 중력 가속도를 함께 사용.
- 교재 연습 — 예제 1.12~1.15에서 일·힘·거리와 들어 올리는 일을 다룸. 수치 풀이 전체는 교재와 강의 자료에서 확인.
04동력 — 일을 하는 빠르기교재 32p
- 동력(Power) — 단위 시간 동안 한 일의 양. 일률이라고도 하며, 일이 이루어지는 비율을 나타냄.
- 일과 시간의 관계 — P = W/t. 시간 t 동안 한 일 W를 그 시간으로 나눈 값.
- 일과 동력의 구분 — 일은 전달한 에너지의 양, 동력은 그 일을 하는 빠르기. 같은 일을 해도 걸린 시간이 다르면 동력이 달라짐.
같은 짐을 같은 높이로 올리는 두 장치
- 각 장치가 짐을 일정한 속도로 들어 올린다고 생각해 봄. 짐의 질량과 들어 올린 높이가 같으면 짐에 한 일의 양은 같음.
- 그 일을 더 짧은 시간에 마친 장치의 동력이 더 큼. 일의 양을 비교하는 질문과 동력을 비교하는 질문을 나누어 읽어야 함.
05와트 — 1초에 하는 일을 표시교재 32p~33p
- 와트(Watt, W) — 동력의 SI 단위. 1초 동안 1 J의 일을 하는 일률로 1 W = 1 J/s.
- 킬로와트 — 1 kW = 1,000 W = 1 kJ/s. kW에 초를 곱하면 그동안 한 일을 kJ로 구할 수 있음.
- 기호 W의 두 쓰임 — 식 W = Fs의 W는 일이라는 물리량, 단위 1 W의 W는 와트. 위치와 문맥으로 구별.
- 기호 P의 두 쓰임 — 앞 편에서는 압력(Pressure), 이 편에서는 동력(Power). 같은 문자라도 다루는 물리량은 다름.
| 구할 값 | 식 | 단위로 읽기 |
|---|---|---|
| 동력 | P = W/t | J ÷ s = W |
| 한 일 | W = Pt | W × s = J |
| 한 일 (kJ) | W = Pt | kW × s = kJ |
예제 1.17처럼 장치의 동력과 작동 시간이 주어지면 W = Pt로 정리. 답을 J로 묻는지 kJ로 묻는지까지 확인하면 됨.
06힘과 속도로 동력 구하기교재 32p~34p
- 힘의 방향으로 일정한 속도로 움직일 때 — 동력은 힘 F와 속도 v의 곱인 P = Fv로도 나타낼 수 있음.
- 단위 확인 — N에 m/s를 곱하면 N·m/s, 즉 J/s가 되므로 결과는 와트 W.
- 주어진 값에 맞는 식 — 일과 시간이 주어지면 P = W/t, 힘과 속도가 주어지면 P = Fv를 선택.
1거리와 함께 주어진 힘
- W = Fs로 일을 구함.
- 거리를 m로 맞추면 결과는 J.
2속도와 함께 주어진 힘
- P = Fv로 동력을 구함.
- 속도를 m/s로 맞추면 결과는 W.
교재 예제 1.16~1.20에서 동력과 일을 번갈아 구해 봄. 거리 s와 속도 v, 일의 단위 J와 동력의 단위 W를 구별하는 것이 핵심.
이 절의 핵심 정리
- 일정한 힘으로 힘의 방향을 따라 움직일 때 한 일은 W = Fs
- 일의 단위는 줄 — 1 J = 1 N·m
- 동력은 단위 시간당 한 일 — P = W/t
- 동력의 단위는 와트 — 1 W = 1 J/s
- 힘의 방향으로 일정한 속도로 움직일 때 P = Fv로 동력을 구한다
강의 자료1.3.2-2 일과 동력
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