1. 일 (Work)
ㅇ 힘이 물체에 작용하여 움직일(가속될) 때, 힘 F과 변위 l의 곱으로 나타내는 물리량
ㅇ 표현식 (일은 스칼라량임)
- (일정 힘) [# W = \mathbf{F} \cdot \mathbf{l} = F l \cos \theta #]
- (가변 힘) [# W = \int \mathbf{F} \cdot d\mathbf{l} #]
또는 [# dW = \mathbf{F} \cdot d\mathbf{l} #]
2. 일의 구분 (힘의 작용 형태별 구분)
ㅇ 점 입자에 작용 : (힘 x 변위)
- 직선 일 : W = ∫ F dl
- 회전 일 : W = ∫ τ dω
. (τ : 토크, ω : 회전각 라디안)
ㅇ 부피를 갖는 것에 작용 : (압력 x 부피변화)
- 기체의 팽창/수축 : W = P △V
3. 일의 량(量)
ㅇ 경로 a에서 b까지 움직이는 동안, 힘에 의한 일 량
[#W=\int^b_a\mathbf{F}\cdot d\mathbf{l}#]
4. 일의 단위
ㅇ 힘과 변위의 곱에 대한 단위
- (SI 단위계) : [J], [N·m] ; (CGS 단위계) : [dyne·㎝]
. 1 [J] = 1 [N·m] = 107 [dyne·㎝]
. 1 [eV] = 1.60 x 10-19 [J]
ㅇ 또는, 압력과 체적변화의 곱에 대한 단위 (W = P ΔV)
- (SI 단위계) : 1 [J] = 1 [Pa ㎥]
5. 일의 부호 규약
ㅇ W > 0 : 힘과 변위가 같은 방향일 때 (+)
- (계가 일을 할 때)
ㅇ W < 0 : 힘과 변위가 다른 방향일 때 (-)
- (계에 일이 행해질 때)
※ 한편, 화학 분야에서의 부호규약 : W = - F l
- 계에 일이 행해질 때 (힘이 가해지고, 변위가 압축성일 때) : (+)
. 비록, 가해진 힘과 변위 방향이 서로 다르나, 일은 (+)로써 설정됨
- 계가 일을 할 때 (주위에 힘을 내고, 변위가 팽창성일 때) : (-)
. 비록, 계가 주위에 쓰는 힘과 변위 방향이 서로 같으나, 일은 (-)로써 설정됨
6. 일의 의미 : (주로, 에너지(Energy)와의 관계)
ㅇ ① 일은, 물체에 `에너지를 가하는 량(量)`
- 이때, 일은 물체가 처한 상태의 변화(가속,온도변화,변위 등)를 가져옴
. 물체에 가한 힘(일)은, 그 물체의 운동에너지(속도 증가 등), 위치에너지를 변화시킴
.. W = ½ m Δ(v2) = ΔEkinetic
.. W = m g Δ(h) = ΔEpotential
. 정지한채 단지 물체를 떠받치며 변위가 없을때는 물리적으로 일을 하지 않는 것임
ㅇ ② 일과 운동에너지 변화량 간에, `서로 직접 관련됨` ☞ 일 에너지 정리 참조
- `어떤 계의 운동에너지의 증가` = `그 계에 가해진 일`
. 일과 운동에너지 사이의 관계를 나타냄
ㅇ ③ 일, 에너지, 열 모두 `같은 단위를 사용` : [J(Joule)], [W·s], [kWh]
- 1 [kWh] = 3.6 x 106 [J]
ㅇ ④ 일은, `이동하는 에너지` 임
- 역학적 운동시 전달되는 에너지 이동 => 일(Work)
- 온도차에 의해 전달되는 에너지 이동 => 열(Heat)
* 열 및 일은, `이동하는 에너지`의 척도 임 ☞ (Energy in transit, 에너지 이동) 참조
. 일과 열은, 계와 주위 사이의 에너지 전달로써, 계의 경계에서 만 인식이 됨
ㅇ ⑤ 일은, `에너지의 교환 수단` 또는 `에너지 전달의 형태`
- 에너지 : 일을 할 수 있는 능력을 나타내는 물리량
- 일 또는 열 = 에너지를 전달(또는, 교환)하는 수단
. 즉, 열도 일 처럼 에너지를 전달하는 수단임
. 1 kWh = 3.6 x 106 Joule
* 열 -> 일 : 열기관 (열을 흡수하여 일을 생성)
* 일 -> 열 : 냉동기,에어컨,열펌프 (일을 가하여 열을 이동)
* 다만, `일`은 `다른 형태의 에너지`로 쉽게 변환 가능하나, ☞ 열역학 제2법칙 참조
. `다른 형태의 에너지`를 `일`로 변환하는 것은 쉽지 않음
7. 열역학적 일 (PV 일,이동 일) 및 전기화학적 일
ㅇ 열역학적 일은,
- 주로, 외부 일정 압력 하에 계(기체)의 부피가 변할 때 행하는 기계적인 일
. 기체가 행한 일 (팽창) : 例) 대기의 상승 냉각 (단열팽창, 대기압 낮아짐)
. 기체가 받은 일 (압축) : 例) 대기의 하강 가열 (단열압축, 대기압 높아짐)
- 이때, 일의 정의는, 외부 압력과 기체 부피 간의 곱으로써 정의 함
. W = PV 일 = 일정 압력 x 부피 변화 = P x ΔV [단위 : J (Joule)]
- 이를, `압력 부피 일` 또는 `PV 일` 또는 `이동 일 (displacement work)`이라고 함
ㅇ 전기화학적 일은,
- 전하를 띈 전자 입자에 의해 이루어지는 전기적인 일
- 두 전극 사이에, 전위차(전압)가 있고, 그 전위차에 의해 전류(전하의 흐름)가 발생할 때,
- 이때, 일의 정의는,
. W = - n F E
.. n : 이동한 전자의 몰수 (mol)
.. F : 패러데이 상수 (약 96,485 Coulomb/mol)
.. E : 전기화학 전지의 전위차 (V)
- 화학 에너지 ↔ 전기 에너지로, 전환하는 과정에서 중요한 역할을 함 (例, 전지, 전해조 등)