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문제 1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 비가역 과정이란 작용하는 외력이 없는 상황에서 현상에 관여한 물체가 처음과 동일한 상태로 돌아가지 않는 현상이다. 자연 현상은 대부분 한쪽으로만 진행하고 그 역방향으로는 진행하지 않는다. 이러한 자연 현상의 비가역성을 열역학 제2법칙이라고 한다.
자연에 존재하는 물체는 원자와 분자 같은 입자로 구성된다. 이런 입자들은 항상 불규칙하고 복잡한 운동을 하는데 입자의 무질서한 정도를 무질서도(엔트로피)라고 한다. 자연 현상은 대부분 규칙적이고 체계화된 정도가 감소하는 방향, 즉 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나며 그 반대 현상은 일어나지 않는다. ‘열현상은 분자의 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행되고 그 반대로 일어나지 않는다’는 것이 열역학 제2법칙이다.
- 고등학교 물리Ⅱ 교과서
(나) 마그마는 생성되는 장소와 화학 조성에 따라 현무암질 마그마와 화강암질 마그마로 나뉜다. 현무암질 마그마는 상부 맨틀이 부분적으로 용융돼 생성되는 마그마로 중앙 해령의 하부에서 많이 나타난다. 해양판이 침강하는 섭입대에서는 현무암질 마그마와 더불어 하부 지각이 부분적으로 용융돼 생성되는 화강암질 마그마가 만들어진다.
그림에서 지하 심부에 있는 암석(A)은 고체 상태이다. 현무암질 마그마가 생성되려면 현무암의 용융 곡선과 만나야 하므로 온도가 A에서 B로 올라가거나 압력이 A에서 C로 내려가야 한다. 물은 용융점을 낮추는 작용을 하는데 현무암질 마그마는 물을 거의 포함하지 않기 때문에 물의 효과를 볼 수 없다. 화강암의 용융 곡선은 물을 포함할 때 약 12000기압, 온도 약 600℃에서 대륙지각의 지온 곡선과 만나므로 화강암질 마그마는 대륙지각의 하부에서 생성된다.
- 고등학교 지구과학Ⅱ 교과서
(다) 퇴적암 입자 사이의 빈 공간과 화성암 내에 발달된 작은 균열을 공극이라 하며 모든 공극은 수용액으로 채워진다. 공극 내에 있는 유체를 공극수라고 하는데 이 유체에는 기체 소량과 염, 공극 주위 암석을 이루는 광물 성분이 미량으로 녹아 있다. 공극수를 구성하는 성분은 일반적으로 물이 지배적이나 이산화탄소, 메탄, 질소 등도 있다. 공극수는 양이 많지 않지만 변성작용에서 중요한 역할을 한다.
- ‘지구과학개론’, 한국지구과학회 편저
(라) 물은 자연 상태에서 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재하는데 이런 특성을 갖는 물질은 흔하지 않다. 또 다른 물질을 녹이는 성질이 있어 땀으로 배출되는 염분이나 오염 물질을 쉽게 녹이므로 세탁에 이용된다. 이외에도 물은 암석, 금속 같은 고체에서 이산화탄소, 산소 같은 기체에 이르기까지 다양한 물질을 녹이는 특성이 있다.
- 고등학교 화학Ⅰ 교과서
1) 물질의 온도, 압력, 부피 변화에 따른 무질서도(엔트로피) 변화는 클라페이론 방정식으로 나타낼 수 있다.
△S/△V=dP/dT
(S : 엔트로피, V : 부피, P : 압력, T : 절대온도)
이를 이용해 제시문 (나)에서 물을 포함하는 화강암질 암석의 용융 곡선이 현무암질 암석의 용융 곡선과 반대 방향의 기울기를 갖는 이유를 추론하라.
2) 물의 일반적인 특성과 관련해 변성 작용에서 공극수가 하는 역할을 설명하라.
3) 그림은 ‘백운모+석영’과 ‘정장석+규선석+물’의 상평형도이다. 수화 광물인 백운모는 잘 변성(1→2)되지만 무수 광물인 정장석이 백운모가 되는 변성작용(2→3)은 잘 일어나지 않는다. 그 이유를 추론하라.
전문가 클리닉
1) 암석 내에 물이 포함됐을 때 화강암질 암석과 현무암이 마그마로 변하는 과정에서 일어나는 부피 변화와 그에 따른 엔트로피 변화를 설명합니다.
2) 물이 상변화 할 때 나타내는 특성과 물이 갖는 용해성과 관련해 암석이 변성될 때 공극수가 하는 역할을 추론합니다.
3) 수화 광물인 백운모가 무수 광물인 정장석으로 변성될 때 일어나는 반응에 어떤 것이 있는지 생각하고 엔트로피 변화와 관련해 변성과정의 비가역성을 설명합니다.
예시답안
1) 물을 포함하지 않은 현무암이 녹아 현무암질 마그마로 변하는 경우는 단일 고체 물질이 액체로 변하는 상변화이므로 부피 변화에 따른 엔트로피 변화는 양의 값을 갖는다. 클라페이론 방정식을 이용해 식으로 나타내면 dP/dT=△S/△V＞0이다.
섭입대에 유입된 해수는 수증기로 변해 대륙을 형성하는 화강암질 암석 틈으로 유입된다. 수증기(기체)가 포함된 화강암질 암석(고체)은 마그마(액체)로 변한다. 암석의 부피가 증가하는 양에 비해 수증기의 부피가 감소하는 양이 더 크기 때문에 전체적인 부피가 감소한다. 그러나 암석이 마그마가 될 때 엔트로피 증가량이 수증기가 물이 될 때 엔트로피가 감소하는 양보다 크기 때문에 전체적인 엔트로피는 증가한다. 부피 변화에 따른 엔트로피 변화는 음의 값을 가지므로 dP/dT=△S/△V＜0이다.
가로축을 온도, 세로축을 압력으로 그린 상평형도에서 현무암질 마그마의 용융 곡선과 화강암의 용융 곡선은 반대 부호의 기울기를 갖는다.
2) 물은 용해성이 좋은 물질이다. 물은 온도와 압력에 따라 암석 내 광물에서 빠져 나오는 성분 물질을 용해시키고 공극수 내에 녹아 있던 다양한 성분 물질을 광물에 공급해 암석의 성분을 변화시킨다. 백운모와 같이 물을 많이 포함하는 암석은 공극수가 없는 암석에 비해 광물 사이의 물질 이동이 원활하다. 그로 인해 암석에서 새로운 성분이 나타나는 변성작용이 빠르게 진행된다. 공극수는 암석 내 화학반응을 촉진시키는 매체로서 작용해 변성작용에서 중요한 역할을 한다.
3) 수화 광물인 백운모와 석영이 무수 광물인 정장석, 규선석과 물이 되는 변성 작용은 온도가 증가하면서 일어나는 열변성이다. 이때 기존 암석을 구성하던 성분 물질이 물에 녹아 물과 함께 방출되고 온도가 증가하면서 증발한다. 다시 성분 물질이 녹아있는 물이 온도가 낮아진다고 해도 한번 빠져나간 물과 물에 용해되어 있던 광물질이 다시 채워지기는 어려우므로 변성작용의 역반응이 잘 일어나지 않는다. 또 물의 증발이 일어나는 등 엔트로피가 증가하는 방향으로 열작용이 일어나는데 이 방향으로 일어난 열작용은 비가역적이므로 자연적으로 역반응이 일어나기 어렵다.
문제 2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
물이 들어있는 비커를 밀폐된 공간에 두면 물이 증발하면서 만들어진 수증기가 공기 중에 퍼져나간다. 시간이 지나면 밀폐된 공간 내부에 있는 수증기의 수가 증가한다. 수증기 중에 작은 에너지를 가진 분자가 수면에 충돌하면 액체 물분자에 끌려서 액체 상태가 되는데 이를 응축이라 한다. 응축되는 분자는 증발한 기체 분자가 공기 중에 많을수록 늘어난다. 결국 응축되는 분자 수가 증발하는 분자 수와 같아져 겉으로 보기에 아무 변화도 일어나지 않는 것처럼 보이는 상태가 되는데 이를 동적평형이라고 한다. 동적평형 상태에 있는 증기의 압력을 증기압력이라고 한다.
- 고등학교 화학 Ⅱ 교과서
강수 이론 중 빙정설은 영하의 구름 내에 과냉각된 물방울과 얼음 알갱이(빙정)가 공존하면서 각각에 작용하는 포화수증기압 차이에 의해 빙정으로 성장한다는 이론이다. 제시문 내용과 관련해 다음 물음에 답하라.
1) 온도에 따른 포화수증기압 곡선을 대략적으로 그리고 설명하라.
2) 과냉각된 물과 얼음에서 포화수증기압이 차이 나는 이유를 설명하라.
전문가 클리닉
1) 온도가 증가하면 분자 운동이 활발해진다는 점에 착안해 동적평형 상태에 도달했을 때 증기압력의 변화를 추론합니다.
2) 온도가 일정할 때 물질의 종류나 상태에 따라 증기압력의 크기가 어떻게 달라질지 추론하고 물과 얼음의 경우에 적용해 설명합니다.
예시답안
1) 온도가 높을수록 분자 운동이 활발해지고 운동에너지가 증가해 증발하는 분자가 많아진다. 온도가 높을수록 동적평형 상태에 도달했을 때 기체 상태로 존재하는 분자 수가 많아지므로 증기압력이 높아진다. 포화수증기압은 공기 중에 수증기가 포화되었을 때의 증기압력이므로 온도가 높을수록 포화수증기압이 높게 나타난다.
2) 액체(또는 고체) 표면에서 증발이 활발할수록 증기압력이 높으므로 일반적으로 분자량이 작고 분자 간 인력이 작은 물질의 증기압력이 크다. 물과 얼음은 분자량이 같으나 액체인 물이 고체인 얼음에 비해 분자 간 인력이 작으므로 증발이 쉽게 일어나고 증기압력이 커진다. 과냉각된 물은 얼음 알갱이에 비해 포화수증기압이 크다.
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 비가역 과정이란 작용하는 외력이 없는 상황에서 현상에 관여한 물체가 처음과 동일한 상태로 돌아가지 않는 현상이다. 자연 현상은 대부분 한쪽으로만 진행하고 그 역방향으로는 진행하지 않는다. 이러한 자연 현상의 비가역성을 열역학 제2법칙이라고 한다.
자연에 존재하는 물체는 원자와 분자 같은 입자로 구성된다. 이런 입자들은 항상 불규칙하고 복잡한 운동을 하는데 입자의 무질서한 정도를 무질서도(엔트로피)라고 한다. 자연 현상은 대부분 규칙적이고 체계화된 정도가 감소하는 방향, 즉 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어나며 그 반대 현상은 일어나지 않는다. ‘열현상은 분자의 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행되고 그 반대로 일어나지 않는다’는 것이 열역학 제2법칙이다.
- 고등학교 물리Ⅱ 교과서
(나) 마그마는 생성되는 장소와 화학 조성에 따라 현무암질 마그마와 화강암질 마그마로 나뉜다. 현무암질 마그마는 상부 맨틀이 부분적으로 용융돼 생성되는 마그마로 중앙 해령의 하부에서 많이 나타난다. 해양판이 침강하는 섭입대에서는 현무암질 마그마와 더불어 하부 지각이 부분적으로 용융돼 생성되는 화강암질 마그마가 만들어진다. 그림에서 지하 심부에 있는 암석(A)은 고체 상태이다. 현무암질 마그마가 생성되려면 현무암의 용융 곡선과 만나야 하므로 온도가 A에서 B로 올라가거나 압력이 A에서 C로 내려가야 한다. 물은 용융점을 낮추는 작용을 하는데 현무암질 마그마는 물을 거의 포함하지 않기 때문에 물의 효과를 볼 수 없다. 화강암의 용융 곡선은 물을 포함할 때 약 12000기압, 온도 약 600℃에서 대륙지각의 지온 곡선과 만나므로 화강암질 마그마는 대륙지각의 하부에서 생성된다.
- 고등학교 지구과학Ⅱ 교과서
(다) 퇴적암 입자 사이의 빈 공간과 화성암 내에 발달된 작은 균열을 공극이라 하며 모든 공극은 수용액으로 채워진다. 공극 내에 있는 유체를 공극수라고 하는데 이 유체에는 기체 소량과 염, 공극 주위 암석을 이루는 광물 성분이 미량으로 녹아 있다. 공극수를 구성하는 성분은 일반적으로 물이 지배적이나 이산화탄소, 메탄, 질소 등도 있다. 공극수는 양이 많지 않지만 변성작용에서 중요한 역할을 한다.
- ‘지구과학개론’, 한국지구과학회 편저
(라) 물은 자연 상태에서 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태로 존재하는데 이런 특성을 갖는 물질은 흔하지 않다. 또 다른 물질을 녹이는 성질이 있어 땀으로 배출되는 염분이나 오염 물질을 쉽게 녹이므로 세탁에 이용된다. 이외에도 물은 암석, 금속 같은 고체에서 이산화탄소, 산소 같은 기체에 이르기까지 다양한 물질을 녹이는 특성이 있다.
- 고등학교 화학Ⅰ 교과서
1) 물질의 온도, 압력, 부피 변화에 따른 무질서도(엔트로피) 변화는 클라페이론 방정식으로 나타낼 수 있다.
△S/△V=dP/dT
(S : 엔트로피, V : 부피, P : 압력, T : 절대온도)
이를 이용해 제시문 (나)에서 물을 포함하는 화강암질 암석의 용융 곡선이 현무암질 암석의 용융 곡선과 반대 방향의 기울기를 갖는 이유를 추론하라.
2) 물의 일반적인 특성과 관련해 변성 작용에서 공극수가 하는 역할을 설명하라.
3) 그림은 ‘백운모+석영’과 ‘정장석+규선석+물’의 상평형도이다. 수화 광물인 백운모는 잘 변성(1→2)되지만 무수 광물인 정장석이 백운모가 되는 변성작용(2→3)은 잘 일어나지 않는다. 그 이유를 추론하라.전문가 클리닉
1) 암석 내에 물이 포함됐을 때 화강암질 암석과 현무암이 마그마로 변하는 과정에서 일어나는 부피 변화와 그에 따른 엔트로피 변화를 설명합니다.
2) 물이 상변화 할 때 나타내는 특성과 물이 갖는 용해성과 관련해 암석이 변성될 때 공극수가 하는 역할을 추론합니다.
3) 수화 광물인 백운모가 무수 광물인 정장석으로 변성될 때 일어나는 반응에 어떤 것이 있는지 생각하고 엔트로피 변화와 관련해 변성과정의 비가역성을 설명합니다.
예시답안
1) 물을 포함하지 않은 현무암이 녹아 현무암질 마그마로 변하는 경우는 단일 고체 물질이 액체로 변하는 상변화이므로 부피 변화에 따른 엔트로피 변화는 양의 값을 갖는다. 클라페이론 방정식을 이용해 식으로 나타내면 dP/dT=△S/△V＞0이다.
섭입대에 유입된 해수는 수증기로 변해 대륙을 형성하는 화강암질 암석 틈으로 유입된다. 수증기(기체)가 포함된 화강암질 암석(고체)은 마그마(액체)로 변한다. 암석의 부피가 증가하는 양에 비해 수증기의 부피가 감소하는 양이 더 크기 때문에 전체적인 부피가 감소한다. 그러나 암석이 마그마가 될 때 엔트로피 증가량이 수증기가 물이 될 때 엔트로피가 감소하는 양보다 크기 때문에 전체적인 엔트로피는 증가한다. 부피 변화에 따른 엔트로피 변화는 음의 값을 가지므로 dP/dT=△S/△V＜0이다.
가로축을 온도, 세로축을 압력으로 그린 상평형도에서 현무암질 마그마의 용융 곡선과 화강암의 용융 곡선은 반대 부호의 기울기를 갖는다.
2) 물은 용해성이 좋은 물질이다. 물은 온도와 압력에 따라 암석 내 광물에서 빠져 나오는 성분 물질을 용해시키고 공극수 내에 녹아 있던 다양한 성분 물질을 광물에 공급해 암석의 성분을 변화시킨다. 백운모와 같이 물을 많이 포함하는 암석은 공극수가 없는 암석에 비해 광물 사이의 물질 이동이 원활하다. 그로 인해 암석에서 새로운 성분이 나타나는 변성작용이 빠르게 진행된다. 공극수는 암석 내 화학반응을 촉진시키는 매체로서 작용해 변성작용에서 중요한 역할을 한다.
3) 수화 광물인 백운모와 석영이 무수 광물인 정장석, 규선석과 물이 되는 변성 작용은 온도가 증가하면서 일어나는 열변성이다. 이때 기존 암석을 구성하던 성분 물질이 물에 녹아 물과 함께 방출되고 온도가 증가하면서 증발한다. 다시 성분 물질이 녹아있는 물이 온도가 낮아진다고 해도 한번 빠져나간 물과 물에 용해되어 있던 광물질이 다시 채워지기는 어려우므로 변성작용의 역반응이 잘 일어나지 않는다. 또 물의 증발이 일어나는 등 엔트로피가 증가하는 방향으로 열작용이 일어나는데 이 방향으로 일어난 열작용은 비가역적이므로 자연적으로 역반응이 일어나기 어렵다.
문제 2
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
물이 들어있는 비커를 밀폐된 공간에 두면 물이 증발하면서 만들어진 수증기가 공기 중에 퍼져나간다. 시간이 지나면 밀폐된 공간 내부에 있는 수증기의 수가 증가한다. 수증기 중에 작은 에너지를 가진 분자가 수면에 충돌하면 액체 물분자에 끌려서 액체 상태가 되는데 이를 응축이라 한다. 응축되는 분자는 증발한 기체 분자가 공기 중에 많을수록 늘어난다. 결국 응축되는 분자 수가 증발하는 분자 수와 같아져 겉으로 보기에 아무 변화도 일어나지 않는 것처럼 보이는 상태가 되는데 이를 동적평형이라고 한다. 동적평형 상태에 있는 증기의 압력을 증기압력이라고 한다.
- 고등학교 화학 Ⅱ 교과서
강수 이론 중 빙정설은 영하의 구름 내에 과냉각된 물방울과 얼음 알갱이(빙정)가 공존하면서 각각에 작용하는 포화수증기압 차이에 의해 빙정으로 성장한다는 이론이다. 제시문 내용과 관련해 다음 물음에 답하라.
1) 온도에 따른 포화수증기압 곡선을 대략적으로 그리고 설명하라.
2) 과냉각된 물과 얼음에서 포화수증기압이 차이 나는 이유를 설명하라.
전문가 클리닉
1) 온도가 증가하면 분자 운동이 활발해진다는 점에 착안해 동적평형 상태에 도달했을 때 증기압력의 변화를 추론합니다.
2) 온도가 일정할 때 물질의 종류나 상태에 따라 증기압력의 크기가 어떻게 달라질지 추론하고 물과 얼음의 경우에 적용해 설명합니다.
예시답안
1) 온도가 높을수록 분자 운동이 활발해지고 운동에너지가 증가해 증발하는 분자가 많아진다. 온도가 높을수록 동적평형 상태에 도달했을 때 기체 상태로 존재하는 분자 수가 많아지므로 증기압력이 높아진다. 포화수증기압은 공기 중에 수증기가 포화되었을 때의 증기압력이므로 온도가 높을수록 포화수증기압이 높게 나타난다.2) 액체(또는 고체) 표면에서 증발이 활발할수록 증기압력이 높으므로 일반적으로 분자량이 작고 분자 간 인력이 작은 물질의 증기압력이 크다. 물과 얼음은 분자량이 같으나 액체인 물이 고체인 얼음에 비해 분자 간 인력이 작으므로 증발이 쉽게 일어나고 증기압력이 커진다. 과냉각된 물은 얼음 알갱이에 비해 포화수증기압이 크다.
