2021 소방간부 자연과학개론 (11번 ~ 15번)

11. 다음 [그림]은 어느 날 지구 북반구 중위도 지역 에서 관측한 일식 현상을 나타낸 것이다. 이 날 관측할 수 있는 현상에 대한 설명으로 옳은 것만을 <보기>에서 있는 대로 고른 것은?

<보 기>

ㄱ. 부분 일식이 관측된다.

ㄴ. 태양의 코로나가 육안으로 관측된다.

ㄷ. 초저녁 동쪽 하늘에서 달을 관측할 수 있다

 

답: ㄱ 

풀이: 태양의 코로나는 개기일식때 육안으로 관측이 가능하다 

 

일식의 종류와 원리. (제공=한국천문연구원)

< 일식 >

- 태양-달-지구 일직선상 위치에서 달이 태양을 가린다.

 

① 일식이 일어 날 때 달의 위상 = 삭

- 달의공전궤도(백도)가 지구공전궤도(황도)보다 5˚기울어져 있기 때문에 항상 일식현상이 발생하지는 않는다.

 

② 개기일식

- 달이 태양을 완전히 가림

- 달의 본그림자 영역에서 관측된다

- 코로나 관측이 가능하다

 

③ 부분일식

- 달이 태양 일부를 가림

- 달의 반그림자 영역에서 관측된다

 

④ 금환일식

- 달이 태양안으로 쏙 들어가서 가락지같은 모양

- 달의 시직경이 태양의 시직경보다 작을 때 관측된다 

- 태양을 완전히 가리지못해 고리모양으로 관측되는 현상

 

⑤ 일식의 진행

- 달은 서에서 동으로(오른쪽) 지구를 공전하고 북반구에서 관측하면 일식이 진행될 때 오른쪽(서쪽)부터 가려지기 시작한다.

 

< 월식 >

- 태양-지구-달 일직선상 위치, 지구그림자가 달을 가린다

① 월식이 일어날 때 달 위상= 망

달의공전궤도(백도)가 지구공전궤도(황도)보다 5˚기울어져 있기 때문에 항상 월식현상이 발생하지는 않는다

 

② 반영월식

-  지구의 반 그림자가 달을 가릴 때 약간 어둡고 붉게보이지만 달의 모양은 변하지 않는다

 

③ 개기월식

- 지구의 본 그림자가 달을 완전히 가린다

- 달 전체가 지구의 본 그림자 속으로 들어가면 개기월식이 일어난다

- 붉은 달을 관측할 수 있다

 

④ 부분월식

- 달의 일부가 지구 본그림자에 걸쳐있으면 부분월식이 일어난다.

 

⑤ 월식의 진행

- 달이 서에서 동으로 지구주위를 공전하다가 지구의 그림자속으로 들어갈 때 일어나는 것

- 달의 왼쪽(동쪽)부터 가려지기 시작한다.

 

12. 다음 [그림]은 태양 정도의 질량을 가진 어느 별의 진화 단계를 H－R도에 나타낸 것이다. 이에 대한 설명으로 옳은 것은?

① A 단계에서는 주로 헬륨 핵융합 반응이 일어난다.

② B 단계는 행성상 성운 단계이다.

③ B 단계일 때보다 C 단계일 때 반지름이 더 크다.

④ C 단계에서는 짧게 탄소 핵융합 반응이 일어난 후 서서히 식는다.

⑤ A 단계에서는 별 내부에서 CNO 순환 반응보다 p－p 반응이 우세하게 일어난다.

 

답: 5번 

풀이: 

A: 주계열성, B: 적색거성, C: 백색왜성

① A 단계에서는 주로 수소핵융합반응이 일어난다.

② 행성상 성운 단계는 백색왜성을 말하고 행성상 성운은 항성 진화의 마지막 단계로 이해되고 있다 

③ B 단계일 때보다 C 단계일 때 반지름이 더 작다

④ C 단계에서는 탄소핵융합반응을 하지 않는다 

 

[ 별의 진화 ]

https://steemit.com/kr/@hunhani/chapter-13

<  헤르츠스프룽-러셀 도표, H-R도 >

-. A → B는 전주계열성이 주계열성으로 진화하는 단계로 이 과정에서 주요 에너지원은 중력 수축 에너지이다.

-. 주계열성(B)의 중심부에서 수소가 고갈되면 더 이상 수소 핵융합 반응이 일어나지 않으므로 헬륨으로 이루어진 중심부는 수축하고, 별의 바깥층은 팽창하며 반지름이 커지면서 적색 거성 (C) 단계로 진화하게 된다.

- 적색 거성 단계 이후 별은 맥동 변광성 단계를 거치면서 별의 물질 일부가 우주 공간으로 방출되어 행성상 성운이 만들어지며, 중심부는 더욱 수축하여 백색 왜성이 된다. 초신성 폭발은 태양보다 질량이 약 8배 이상인 별의 마지막 진화 단계에서 일어난다.

① 전주계열성(A) 

- 주계열 단계에 이르기 전의 항성을 말한다

- 항성 주위를 둘러싸고 있던 물질들이 중심부의 압축되고 뜨거운 곳으로 낙하하면 중앙부의 뜨거운 곳은 원시별이 된다. 이후 진화가 진행되면서 주변의 가스 및 먼지층이 흩어지고 강착 단계가 끝을 맺으면 항성은 전주계열성 단계로 진입한다.

- 전주계열성의 에너지는 중력으로 인한 수축에서 나온다.

- 분광형 측면에서 보통의 주계열성들과는 구별되며, 주계열성에 비해 복사 에너지를 강렬하게 발산하는 경향이 있다.

- 주계열성이 수소를 헬륨으로 바꾸며 일어나는 핵융합 반응인 양성자-양성자 연쇄 및 CNO 순환 과정을 통해 에너지를 생산하는 것과는 달리, 전주계열성의 에너지는 중력으로 인한 수축에서 나온다.

- 별 내부에서 CNO 순환 반응보다 p－p 반응이 우세하게 일어난다.

 

② 주계열성(B, 왜성)

- 주계열은 대부분 항성의 일생에서 가장 긴 시간을 차지하는 진화 단계이며, 주계열성은 수소핵융합으로 헬륨과 에너지를 만들어낸다.

- 이 계열에 속하는 별들은 질량이 클수록 광도와 반지름이 커지고 밀도가 낮아진다.

- 질량이 지나치게 클 경우 핵반응 속도가 빨라지기 때문에 상대적으로 수명이 짧아지고, 질량이 작아서 간신히 이 단계에 들어선 별들의 경우 상대적으로 긴 특성을 가진다.

- 수소 핵융합이 일어나는 중심부의 온도는 대체로 400만K이며, 질량이 커질수록 중심부의 온도는 더 뜨거워진다. 태양 질량의 40배가 넘는 거대 항성의 중심부의 중심 온도는 5000만K까지 올라간다.

 

③ 적색거성(C, red giant) 

- 중심핵에서 수소가 소진되어 핵을 둘러싼 껍질에서 수소의 열핵융합이 일어나는 별

- 작거나 중간 정도의 질량을 가진 밝고 거대한 별

- 바깥 대기는 밀도가 낮다.

- 반지름은 매우 크지만 표면 온도는 5,000 K보다 낮다

- 적색거성가지(red giant branch, RGB)의 끝부분 가까이에 있는 별로, 축퇴된 헬륨핵 근처의 껍질에서 수소를 헬륨으로 융합한다.

- 별의 광도는 태양 광도(L☉)의 수백 배에 해당하며, 분광형은 K형 또는 M형이고, 표면온도는 3,000~4,000 K, 직경은 태양 직경(R☉)의 20~100 배이다.

- 수평가지에 있는 별은 그보다 뜨겁고, 점근거성가지에 있는 별은 태양의 약 천 배 이상 밝지만, 두 유형 모두 적색거성가지에 있는 별보다 드물다.

 

④ 백색 왜성 단계(D)

- 질량이 작은 항성은 상대적으로 가벼운 질량 때문에, 중심핵이 붕괴되어 온도와 압력이 상승하더라도 탄소 핵융합을 일으킬 만큼 충분한 온도에 도달하지 못한다.

- 헬륨 융합 과정 동안 적색거성이 된 다음에, 외부 대기는 우주공간으로 방출되며 행성상 성운을 형성하고, 대부분 탄소와 산소로 이루어진 핵만이 남아 백색왜성을 형성하게 된다.

- 백색왜성에서는 핵융합이 더 일어나지 않는다. 에너지를 생성할 수 없기 때문에 점차 식어가게 되며, 또한 핵이 중력에 의해 붕괴하는 것을 막지 못하고, 결국 매우 밀도가 높은 상태가 된다.

 

 

13. 수평면 위에서 100g 의 공을 20m/s 의 속력으로 연직 방향으로 던져 올렸다. 이에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, 중력 가속도는 10m/s2이고, 수평면에서 중력 퍼텐셜 에너지는 0이며, 사람의 키와 모든 마찰 및 공기 저항은 무시한다.)

 

① 최고점의 높이는 20m이다.

② 최고점에서 물체에 작용하는 힘은 0이다.

③ 최고점에 도달할 때까지 걸린 시간은 2초이다.

④ 출발점으로 되돌아 왔을 때 물체의 속력은 20m/s 이다.

⑤ 1초 후 도달한 높이에서 물체의 퍼텐셜 에너지는 15 J 이다

 

답: 2번 

 

풀이

② 최고점에서 물체에 작용하는 힘은 중력이 있다 

⑤ s = 20 x 1 + 0.5 x -10 x 1 = 15m

퍼텐셜 에너지 = mgh = 0.1kg x 10m/s2 x 15m 

 

< 등가속도 운동 >

 

< 연직으로 쏘아올린 운동 >

 

 

 

 

14. 다음 [그림]은 수평면 위에서 정지해 있는 질량 kg 인 물체에 작용한 수평 방향의 힘을 시간에 따라 나타낸 것이다. 10초 후 물체의 속력은? (단, 물체의 운동 방향은 변 하지 않고, 모든 마찰과 공기 저항은 무시한다.)

 

답: 35m/s

 

풀이

면적: 6x5 + (10+6)x5x1/2 = 70

운동량 = mv = 2 x v = 70

v = 35m/s

 

<  힘-시간 그래프 >

- 면적: 충격량 = 운동량의 변화 = Ft 

 

 

15. 다음 [그림]은 열기관에서 일정량의 이상 기체의 상태가 A → B → C → D → A를 따라 변할 때 압력과 부피를 나타낸 것이다. A → B 에서 기체가 흡수하는 열량이 200 J 이고, B → C 에서 기체가 외부에 한 일은 100 J , D → A 에서 기체가 외부로부터 받은 일은 40 J 이다. 열기관의 열효율은?

답: 0.3J

 

풀이

- 열효율 = 가장 높은 열량 - 가장 낮은 열량 / 가장 높은 열량

- Q1( A -> B) = 200J -> 가장 높은 열량

- Q2(B -> C) = 0

- Q3(C -> D) = 100J + 40J = 140J -> 가장 낮은 열량 

- Q4(D ->A) = 0

= Q1 - Q2 / Q1 = 200-140 / 200 = 0.3J

 

< 열역학 >

 

ΔU = Q - W 

Q=ΔU+W=ΔU+PΔV 

• Q는 열량이다.
• U는 내부 에너지로, 어떤 기체의 분자들이 가진 운동 에너지의 총합이다. 이때 U∝T(TT:온도)인 관계가 성립한다.
• W는 기체가 한 일의 양이며, W∝V인 관계가 성립한다.

① 단열과정 

- 열에너지의 출입 없이 일어나는 열역학 과정

- 단열 팽창은 기체의 부피가 늘어나면서 온도가 감소한다

- 단열 압축은 기체의 부피가 줄어들면서 온도가 증가한다.

- 단열팽창을 하는 기체의 부피는 늘어나기 때문에 기체가 한 일의 양 W는 양수(+)가 된다. 그런데 기체의 부피가 증가하는 동안 외부의 열은 차단되어 있었기 때문에 Q=0이여야 한다. 

- Q가 0이 되기 위해서는 ΔU가 음수(-)가 되어야 하고, U∝T이기 때문에 ΔU가 음수라면 온도의 변화량 역시 음수가 되어야한다. 따라서 단열팽창을 하면 온도가 감소한다.

 

② 등온과정

- 온도가 일정한 상태에서 일정량의 이상 기체가 열에너지를 흡수하여 부피가 증가하거나, 열에너지를 방출하여 부피가 감소하는 과정.

- 온도가 일정하다는 말은, 부피나 압력이 변하는 경우 어떤 식으로든 에너지 출입이 존재한다는 의미이므로 단열 과정과는 절대로 양립할 수 없다

 

③ 등적과정 (정적과정)

- 일정량의 이상 기체의 부피가 일정한 상태에서 기체가 열에너지를 흡수하여 온도가 증가하거나, 열에너지를 방출하여 온도가 감소하는 과정.

- Q=ΔU+W=ΔU+PΔV 에서 정적과정이므로 부피는 항상 일정하다

- ΔV=0 이므로 Q=ΔU 가 된다

- 열량과 내부 에너지 변화량이 같으므로, 외부에서 열을 받게되면 모두 내부 에너지의 증가로 쓰이게 된다.

- 내부 에너지의 감소는 모두 열로 방출된다.

 

④ 등압과정 (정압과정)

-  일정량의 이상 기체의 압력이 일정하게 유지되면서 열을 흡수하여 부피가 증가하거나, 열을 방출하며 부피가 감소하는 과정. 즉 기체가 열팽창을 하는 것이다.

- Q=0 혹은 W=0,ΔU=0 등 관계식 중에 한 변수가 0이 되었던 앞의 세 과정과 다르게, 등압 과정은 어느 것도 0이 되지 않는다

- 상기체의 상태방정식과 몰비열관계식에 의해 단원자 분자의 경우, W=PΔV, ΔU=Δ(3/2​nRT)=3/2​PΔV이고, Q=25

​PΔV이라는 그래도 '비교적' 간단한 형태를 얻을 수 있다.

 

⑤ 사이클 

 

참고

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%81%EC%83%89%EA%B1%B0%EC%84%B1

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%EC%A3%BC%EA%B3%84%EC%97%B4%EC%84%B1

https://librewiki.net/wiki/%EC%A3%BC%EA%B3%84%EC%97%B4%EC%84%B1