열역학 제1 법칙 (줄의 실험)
First law of thermodynamics
불 없이 물을 세게 휘젓기만 해도 물이 따뜻해질 수 있을까요?
무슨 일이 일어났나
열역학 제1 법칙은 «내부 에너지의 변화 = 받은 열 − 한 일» 이고, NASA 는 이것을 E2 − E1 = Q − W 로 적습니다(W 는 계가 밖에 한 일).
물을 휘저을 때는 받은 열 Q 가 0 이고 추가 물에 일을 해 주므로 W 가 −3.92 kJ 이 되어, 물의 내부 에너지가 3.92 kJ 늘고 온도가 1.88 K 오릅니다.
같은 일을 물 1 kg 에 하면 0.938 K 만 오르고, 떨어뜨리는 횟수를 두 배로 하면 오름도 두 배가 됩니다 — 줄의 «열의 일당량» 이 이 법칙의 바탕이 되었습니다(Science Museum).
내부 에너지는 온도 · 압력처럼 상태만으로 정해지는 값이지만 열과 일은 따로 보존되지 않고 과정에 따라 달라지므로(NASA), 물이 1.88 K 오르는 데 열을 넣든 휘젓든 결과는 같습니다.
💡 생활 속 예시
- 자전거로 긴 내리막을 내려오며 브레이크를 오래 잡으면 브레이크 패드와 바퀴 테가 뜨거워집니다 — 마찰이 한 일이 내부 에너지로 바뀐 것입니다.
- 믹서기로 얼음과 과일을 오래 갈면 칼날이 휘저은 일 때문에 내용물이 조금씩 미지근해집니다.
- 자전거 바퀴에 펌프로 바람을 세게 넣으면 펌프 끝이 따뜻해지는 것도, 기체를 누르는 일이 기체의 내부 에너지를 늘리기 때문입니다.
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누가 왜 찾았나
제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule)은 1840 년대 초에 처음으로 열의 일당량을 쟀고(Science Museum), 떨어지는 추가 한 일과 물이 얻은 열을 견주었습니다. 그의 원고 «열의 일당량에 관하여(On the mechanical equivalent of heat)» 에는 1849 년 6 월 4 일이라는 날짜가 적혀 있습니다(왕립학회 기록). Science Museum 은 이 «열의 일당량» 이 열역학 제1 법칙의 바탕이 되었다고 설명합니다.
확인된 값
교육과정에서는
- 한국 2022 · 역학과 에너지 · 열과 에너지 [12역학02-03]
- 한국 2022 · 물리학 · 힘과 에너지 [12물리01-05]
- 일본 · 高等学校 物理 (1) 様々な運動
출처
- https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/thermo1.html(확인 2026-11-12)
- https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co8404651/paddlewheel-replica(확인 2026-11-12)
- https://makingscience.royalsociety.org/items/pt_37_3/paper-on-the-mechanical-equivalent-of-heat-by-james-p-prescott-joule(확인 2026-11-12)
- https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co2526/mechanical-equivalent-of-heat-apparatus(확인 2026-11-12)
이어서 보기
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