물리학 I 수특 4강 3점짜리 후기

※해당 후기는 주관적으로, 물리 강사분들의 소견과 다를 수 있으며 작성 내용은 참고용일 뿐이지 반드시 적중!을 목표로 선정한 것이 아니므로 맹목적인 믿음을 가지고 보지 마시길 바랍니다. 그리고 문제 난이도와 별개로 나름 아이디어가 참신하거나 새로운 교육과정에 처음 다루는 내용이 있을 시에 이에 대한 소개를 짤막하게 하는 것으로 어려운 문제만 모아서 해설한 것이 아님을 거듭 강조합니다.

이번에는 열역학과 관련된 4강에 대해 후기를 남기도록 하겠습니다. 전반적으로는....음....뭐지 싶은 문제들이 여럿 보였는데 다 개념 확인 문제 정도인 듯하고, 그 중에 눈에 띄는 6번, 7번에 대해 해설을 하면서 물리를 배우는 학생들이라면 한 번은 들어본 PV=nRT 사용에 대한 오해를 짚어가도록 하겠습니다. 

6번) 해설 전에 미리 한 줄로 요약하자면, 너무 물2스럽고 억지스런 문제 맞습니다. 정작 용수철을 다루는 3강에서는 없다가 탄성 퍼텐셜 에너지 증가량을 문제 풀이 도중에 써야 하는 얼토당토아니한 문제이기도 하고, 개정 전 물리 II에서나 자주 볼 수 있었던 문자 여러 개로 된 식을 정리해 푸는 방식이라 학생들이 개정 물리학 I에 대해 오해를 불러 일으킬 만한 문제였다 봅니다. 그래도 엄연히 물어보는 바 자체는 교과과정 내이기에 이에 대해서는 확실히 넘어가자는 의미로 설명하겠습니다.

우선 기존 물리 I과 비교할 시에 차이점은, 해당 문제는 (가)와 (나)의 분자 수가 다릅니다. 이것이 기존 물리 I과 개정 물리학 I의 차이점입니다. 이젠 분자 수가 달라서 온도가 같아도 내부 에너지 양이 다를 수 있습니다. 

(가)를 분석해 보면, 열은 32/5 E만큼 받았고, 탄성 에너지가 E만큼 증가했으므로 일의 양이 E만큼 증가했음을 자연스럽게 알 수 있습니다. 그럼 (기체가 흡수한 열)=(기체의 내부 에너지 변화량)+(기체가 외부에 한 일의 양)이므로 내부 에너지 변화량은 27/5 E가 됩니다. 그런데 이런 변화를 거치면서 기체의 절대 온도가 기체 분자의 수가 N개일 때 3T만큼 증가했습니다. 그러면 3N개의 기체 분자의 수를 갖는 (나)에서 온도가 2T만큼 증가했다면 (나)의 기체 내부 에너지가 54/5 E만큼 증가했다는 거는 자연스럽게 알 수 있습니다. 

이를 통해 18E에서 나머지 36/5 E는 기체가 외부에 한 일의 양임을 알 수 있으므로 

36/5 E=mg(x-x0)...(1)

E=1/2 k(x^2-(x0)^2)...(2)(탄성 퍼텐셜 에너지 차이=일의 양)

에 의해, (2)에서 (1)을 나누면 x0+x=5mg/18k 임을 알 수 있습니다.

이 문제에서 얻어갈 점은 2가지 입니다.

(1) 내부 에너지 양= 기체 분자 수 × 온도에 의해 비례

(2) (기체가 흡수한 열)=(기체의 내부 에너지 변화량)+(기체가 외부에 한 일의 양)

이 두 가지만 잘 숙지하셨다면 이 문제는 더 이상 볼 필요 없는 문제일 듯 싶습니다.

7번) 여러분의 오해를 풀기 위해 EBS에서 작정하고 낸 문제인 마냥 조건이 설정되어 있습니다. 만약 PV=nRT를 알고 푸는 거라면, '압력은 각각 일정하다', '기체의 압력과 절대 온도는 서로 비례한다.' 이런 조건들을 왜 줬을까요? 교육과정 내에서 설명할 시 꼭 필요한 조건이니 준 겁니다. 

교육과정 상, 우리는 열역학을 깊게 배우지 않습니다. 우리는 단지 'PV의 곱은 절대 온도 T에 비례한다.'를 배우는 거지, 거기서 더 나아가 상수값 R에 대해 식을 세우고 계산하는 거를 연습하는 게 물리학 I의 교육과정이 아니라는 겁니다. 위의 원리 하나로 PV=nRT를 쓰지 않고 PV 그래프를 그려서 상황에 맞는 문제를 푸는 것까지가 우리가 물리학 I에서 해야 할 모든 것입니다. 

괜히 더 알고 있는 걸로 섵불리 물리학 I을 접근하려 하지 마세요. 이건 알고 있는 게 독입니다. 쓰고 싶으시면 물리학 II 화학 II 같은 거 선택하시고 쓰는 걸 추천합니다.