단원명

  Ⅵ 에너지

학습목표

.

1/3차시

2000.

학습내용

참고자료

단원명

Ⅵ 에너지. 2.태양에너지

학습목표

지구상의 자연 현상이나 모든 생명 활동의 원천인 태양복사 에너지에 대해 알아보자

1/3차시

2000.

학습내용

참고자료

2. 태양에너지

(1) 지구의 에너지 원천인 태양복사에너지

1) 태양복사에너지

파장에 따른 분류 - 감마선, X선, 자외선, 가시광선, 적외선, 전파

파장에 따른 에너지 분포

i) 99 %가 0.2 - 4 마이크로미터 범위에 해당

ii) 최대 에너지를 갖는 파장은 가시광선( 0.4 - 0.7 마이크로미터)

*참고 : 감마선, X선, 자외선 : 9%

가시광선 : 43%

적외선, 전파 : 48%

태양복사 에너지는 대기중의 구름, 먼지, 공기입자 등에 의해 흡수, 산란됨

i) 자외선 - 대기 중의 오존층에 의해 흡수

ii) 적외선 - 대기 중의 수증기 및 이산화탄소에 의해 흡수됨

iii) 가시광선 - 거의 흡수되지 않고 지표까지 도달

2) 태양 상수 - 지구 대기권 밖에서 태양 빛에 수직인 단위면적이

1분동안 받는 태양복사 에너지량

* 태양상수 : 2cal/cm²·min

지구가 1분동안 받는 태양 복사 에너지량(E)

* E = 지구의 반지름의 제곱 * 3.14 * 태양상수

지표면이 받는 평균 태양 복사 에너지량(E')

* E' = E / 지구의 표면적

*참고 : 태양이 방출하는 총에너지량

태양 표면이 단위면적이 방출하는 에너지량(태양 표면온도 측정에 이용) 흑체, 플랑크 곡선, 슈테판-볼츠만의 법칙, 빈의 변위법칙

(2) 태양 에너지의 흐름

1) 태양 복사와 지구 복사의 비교

구분 : 표면온도 파장 최대에너지 파장

태양 6000K 단파 0.5

지구 300K 장파 10

2) 지구복사의 특징

i) 온실효과

ii) 대기의 창 : 8 -13 마이크로미터 영역

3) 지구의 에너지 평형 : 그림 제시

i) 태양복사에너지 - 지표흡수 50

- 대기흡수 20

- 대기 및 지표반사 30 --> 지구의 반사율

ii) 지구복사

衁) 지표면의 복사 - 얻은 에너지 : 103

- 잃은에너지 : 153

遁) 대기의 복사 - 얻은 에너지 : 147

- 잃은 에너지 :167

iii) 지구의 에너지 평형

지구가 받는 태양 복사 에너지 = 지구가 내보내는 태양 복사 에너지

*참고 : 위도에 따른 열수지

단원명

.Ⅵ 에너지  3.전기에너지

학습목표

여러 가지 발전 방식과 전기의 공급 과정을 설명할 수 있다.

1/3차시

2000.

학습내용

참고자료

3. 전기 에너지

(1) 여러 가지 발전 방식

1) 수력발전

원리 - 위치에너지 --> 운동에너지 --> 전기에너지

종류 - 수로식 발전, 댐식 발전

장단점

i) 장점 - 공해가 없다. 연료 공급없이 오래 사용할 수 있음

ii) 단점 - 건설 비용이 비쌈, 지역의 한계

2) 화력발전

원리 - 화학에너지 --> 운동에너지 --> 전기에너지

종류 - 기력발전, 내연력 발전

장단점

i) 장점 - 단기간에 건설, 원하는 장소에 건설

ii) 단점 - 연료 자원의 고갈, 환경 오염

3) 원자력 발전

원리 - 원자력에너지 --> 운동에너지 --> 전기에너지

장단점

i) 장점 - 연료비와 운영비 저렴, 탄산가스를 배출하지 않음

ii) 단점 - 방사능 오염의 위험

4) 양수발전

원리 - 전기에너지 --> 위치에너지 --> 전기에너지

장단점

i) 장점 - 여분의 전력 활용

ii) 단점 - 상하부 저수지 건설비용

5) 기타 - 태양열 발전, 조력 발전, 풍력 발전, 열병합 발전 등 --> 전력 생산의 한계

(2) 전기의 공급

1) 송전과정

발전소 ---> 1차변전소 --> 2차변전소 --> 배전소 --> 주상 변압기 --> 가정

345KV 60KV 30KV 3 - 6KV 220V

154KV

2) 승압과 강압 (변압기의 원리 이용)

승압 - 전압을 높임 ( 발전소 --> 수용지 송전)

강압 - 전압을 낮춤 ( 수용지 --> 공급지(가정))

승압시키는 이유 - 송전 과정에서 전력 손실을 줄이기 위해

3) 전력 수송

발전소에서 공급되는 전력

공급전력 = 공급전압 * 전류

전류 I가 흐르는 저항 r 인 송전선에서 손실되는 전력

손실되는 전력 = 전류의 제곱 * 저항 = (공급전력/공급전압)의 제곱 * 저항

공급전압을 두배 높이면 전력 손실은 1/4로 줄어든다.

4) 변압기

변압기의 구조

입력 전력 = 출력 전력

전압은 코일의 감은 수에 비례

변압기의 원리

입력전압/출력전압 = 1차코일의 감긴 횟수/ 2차코일의 감긴 횟수 = 출력 전류/ 입력전류

평가 문항 1. 1차코일 500회, 2차코일 10000회

1차코일에 100V- 20A의 전원을 연결했을 때 2차 코일에 걸리는 전압과 전류는?

3) 전력과 전력량

1) 전기에너지

전류 - 전하의 흐름 참, 1C: 전자 6.25 * 10¹⁸개가 가진 전하의 양

* 전류의 세기(A) - 1초에 1C의 전하가 흐르는 전류의 세기

전압 - 전류를 흐르게 하는 능력

* V(J/C) - 1C의 전하를 옮기는데 1J의 일이 필요할 때, 두점 사이의 전위차

저항 - 전류의 흐름을 방해하려는 성질

* 옴 - 1V의 전압이 걸린 도선에 1A의 전류가 흐르는 경우의 전기저항

옴의 법칙 -도선에 흐르는 전류의 세기는 전압에 비례하고, 저항에 반비례 함

* V = IR, I = V/R, R = V/I

전기에너지 - 전류가 가진 일을 할수 있는 능력

* 전기 에너지(J) = 전압 * 전류 * 시간(초) = I²Rt = V²t/R

2) 전력

전력 - 1초 동안 공급하는 전기 에너지

* 전력(W) = 전기에너지/시간(초) = 전압 * 전류

소비전력 - 단위 시간에 소비하는 전기 에너지

<평가문제>

100W 전구가 1초 동안 소비하는 전기 에너지는?

전구에 흐르는 전류의 세기는?

전구의 저항은? (단, 전압은 200V이다.)

3) 전력량 - 일정 시간 동안 소비하는 전기에너지

* 전력량(Wh) = 전력 * 시간

<평가문제>

100W의 전구를 10시간 동안 사용했을 때의 소비전력량은?

(4) 소비전력과 소비전력량

냉장고 ; 43 kwh/월간 소비 전력량

텔레비젼 : 170w 세탁기 : 500w, 전기밥솥 : 900w, 전등 : 30, 60, 100w

전자레인지 : 1000w, 드라이기 : 1200w, 청소기 : 370w, 컴퓨터 모니터 : 90w

스피커 : 40w

(5) 전기 안전과 전기 절약 : 감전, 누전, 접지,

* 우리 몸에 0.001A - 약간 느낄 정도

0.05 - 치명적

0.1 - 생명을 잃는다.

* 건조한 손의 저항 - 100만 옴, 젖은 손의 저항 - 100 옴

단원명

.Ⅵ 에너지 4.화학에너지

학습목표

일상 생활에서 사용하는 건전지의 원리를 설명할 수 있다.

1/3차시

2000.

학습내용

참고자료

(1) 화학에너지 - 각 물질이 가지는 고유한 에너지(물질의 결합 에너지)

(2) 화학전지

1) 화학전지 - 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치

2) 화학 전지의 구성

(-)극 : 이온화가 잘되는 금속(전자를 내놓는 극 -> 산화)

(+)극 : 이온화가 잘 안되는 금속( 전자를 받아들이는 극 -> 환원)

전해질 수용액에 두 금속을 담그고 도선으로 연결

3) 볼타전지와 다니엘 전지

볼타전지 - 볼타가 만든 최초의 화학전지

i) 볼타전지의 구성 : 그림으로 제시

* (-)극 : 아연판(Zn)

* (+)극 : 구리판(Cu)

* 전해질 수용액 : 묽은 황산(H₂SO₄)

ii) 볼타전지의 반응

* (-)극[아연판] : Zn ---> Zn²⁺ + 2e- (산화 : 질량감소)

* (+)극[구리판] : 2H⁺ + 2e- --> H₂ (환원 : 질량불변)

* 전체반응 : Zn + 2H⁺ --> Zn²⁺ + H₂

iii) 전류와 전자의 이동 방향

* 전류 : (+)극 ---> (-)극

* 전자 : (-)극 ---> (+)극

iv) 분극현상 :

감(소)극제 : 이산화망간, 과산화수소

다니엘 전지 - 최초의 실용 전지를 만든 사람

i) 다니엘 전지의 구성 그림으로 제시

* (-)극[아연판] : 황산아연 수용액

* (+)극[구리판] : 황산구리 수용액

* 염다리 : 하전된 이온이 이동하여 두 전해조의 이온의 균형을 유지

ii) 다니엘 전지의 반응

* (-)극[아연판] ; Zn --> Zn²⁺ + 2e- : 산화(질량감소)

* (+)극[구리판] ; Cu²⁺ + 2e- --> Cu : 환원(질량증가)

* 전체반응 : Zn + Cu²⁺ --> Zn²⁺ + Cu

iii) 수소 기체가 발생하지 않으므로 분극 현상이 없음

납축전지의 구성 및 반응

* 전해질 수용액 ; 38% 황산

* (-)극[납판] ; Pb + SO₄^2- --> PbSO₄ + 2e- : 산화

* (+)극[이산화납판] ; PbO₂ + SO₄^2- + 4H+ + 2e- --> PbSO₄ + 2H₂O : 환원

* 전체반응 ; Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ <----> 2PbSO4 + 2H₂O

참: 분극 현상 있으나 이산화 납이 (+)극인 동시에 감극제 역할을 하여 실제로

분극 현상이 나타나지 않는다.

4) 1차 전지와 2차 전지

1차 전지 : 충전 불가능-->1회 사용(건전지, 알카리전지)

2차 전지 : 충전 가능 --> 여러번 사용( 납축전지, 니켈-카드뮴 전지)

(2)건전지는 무엇으로 만들까?

(1) 건전지의 내부 구조는?

(2) 탄소 막대 주위의 검은 물질은? 이산화 망간, 탄소

(3) 철판 안쪽의 잿빛 금속을 묽은 염산이 든 시헌관 안에 넣으면

1) 어떤 변화가 일어나는가? 기포가 발생한다

2) 잿빛 금속판은 무슨 금속일까? 아연

(4) 시험관 입구에 성냥불을 가까이 가져가보면

1) 어떤 현상이 일어날까? 펑소리와 함께 불꽂이 일어난다.

2) 발생한 기체는 무엇이라고 생각되는가? 수소

3) 시험관 안에서 일어난 변화를 화학 반응식으로 나타내어 보자.

Zn + 2HCl --> ZnCl₂ + H₂ , 2H₂ + O₂ ---> 2H₂O

(5) 검은 물질은 증류수 거름종이로 거른다. 걸러진 고체를 과산화수소가 든 시험관에

넣은 후 성냥 불을 가져가 보자.

1) 어떤 현상이 일어나는가? 불꽂이 밝아진다.

MnO₂(촉매)

2) 걸러진 고체는 무엇일까? 산소 ( 2H₂O₂ -------> 2H₂O + O₂ )

(6) 거른 용액에 질산은 용액을 떨어뜨리면?

1) 시험관 안에서 어떤 변화가 일어나는가? 흰색 침전이 생긴다.

2) 이변화를 화학식으로 나타내어 보자. Ag⁺ + Cl^- ---> AgCl

<정리>

1) 아연-탄소 건전지의 구성 및 반응

전해질 용액 : NH₄Cl 포화 용액( NH₄⁺, Cl^- )

(-)극[아연판] : Zn ---> Zn²⁺ + 2e- ; 산화 ( 질량감소)

Zn²⁺ + 4NH₄⁺ ---> Zn(NH₃)₄²⁺ + 4H⁺

(+)극[C막대] : 4H⁺ + 4e- ---> 2H₂ ; 환원 ( 질량불변 )

2H₂ + 3MnO₂ ---> Mn₃O₄ + 2H₂O

전체반응 : 2Zn + 8NH₄⁺ + 3MnO₂ ---> 2[Zn(NH₃)₄]²⁺ + Mn₃O₄ + 2H₂O

2) 아연-탄소 건전지의 장점과 단점

장점 -만들기 쉽다. 값이 싸다.

단점 - 수명이 짧다.

3) 다니엘 전지와 아연-탄소 건전지의 공통점과 차이점

공통점 - 화학반응을 이용하여 전기 에너지를 얻는다.

차이점 : *다니엘 전지 -두 극이 모두 금속이다.

금속을 포함한 염의 수용액을 전해질로 이용.

*아연-탄소 건전지 - 아연과 탄소(비금속)가 두 극으로 이용,

전해질로 염화암모늄의 진한 용액을 솜에 묻혀 이용(겔 상태)

(3) 화학전지와 환경

1) 환경 오염의 원인

중금속이 들어있는 전해질 사용( 수은, 카드뮴, 납 등)

폐전지 --> 토양오염 --> 물로씻겨나감 --> 수질오염

참고 : 미나마타병 (교과서 323쪽)

2) 전지 공해를 막는 대책

* 2차 전지를 사용

* 쓰고난 건전지는 수거함에 모아 처리

* 건전지 사용을 억제하고 변압기를 사용

* 태양전지를 이용, 대체 에너지 개발

단원명

.Ⅵ 에너지 5.생물에너지

학습목표

생물에너지의 획득과정과 여러 가지 형태의 에너지로 전환되어 활용됨을 설명할 수 있다.

1/3차시

2000.

학습내용

참고자료

1) 광합성

광합성의 총 반응식

6CO2 + 12H2O + 빛에너지(686kcal) ---> C6H12O6 + 6H2O +6O2

광합성 장소 : 식물의 엽록체

광합성의 의의

빛에너지

i) 무기물(CO2, H2O) -------> 유기물(포도당)합성

ii) 빛에너지를 화학에너지로 전환 유기물에 저장

iii) 이산화탄소 제거, 산소 공급

광합성에 영향을 미치는 요인

ⅰ) 빛의 세기 - 보상점 : 광합성량 = 호흡량

- 광포화점 : 최대 광합성량에 도달하기

위한 최소 빛의 세기

- 총광합성량 : 외관상 광합성량 + 호흡량

*참고; 빛의 파장 적색(0.65-0.68)과 청색(0.43-0.46) 최대 <그림>

ii) 온도 - 약한 빛의 환경에서 온도는 큰 영향을

주지 않는다.

- 강한 빛에서 5 - 35도 사이에서 10도 상승

-> 광합성량 2배 증가 <그림>

iii) 이산화탄소의 농도 - 그림(대기 중의 이산화탄소 농도 = 0.03ppm)

2) 세포 호흡 - 생물이 에너지를 얻는 과정

호흡의 일반식

C6H12O6 + 6O2 + 6H2O ---> 6CO2 + 12H2O + 에너지

세포 호흡이 일어나는 곳 : 세포내의 세포질과 미토콘드리아 안에서

에너지 - 체온유지(60%)

- ATP 속에 저장(40%)

3) 생물 에너지 전환 : ATP --> 에너지

기계적 에너지로 전환 : 근육 운동 및 소리 등

화학적 에너지로 전환 : 생명 현상에 필요한 물질 합성

전기 에너지로 전환 : 신경의 자극 전달,

전기 가오리(배-->등:최고 30V), 전기 뱀장어(꼬리 -->머리:최고800V),

전기메기(머리-->꼬리:200-300V)

빛에너지로 전환 : 반딧불, 야광충 등

열에너지로 전환 : 체온 유지

(2) 생물 에너지의 전달자 ATP

1) ATP - 생물체의 에너지 전달 화합물

- 세포 속의 미토콘드리아에서 합성

2) ATP의 반응식

ATP + H2O ---> ADP + 인산기 + 7.3kcal

( ATP의 구조 )

◎∼◎∼◎― → ◎ + ◎∼◎―

ATP 인산 ADP

(3) 기초 대사량과 대사율

1) 기초 대사량 - 기본적인 생명 활동을 유지하는 데 필요한 에너지

* 사람의 기초 대사량(성인) - 남자( 1.0 kcal / kg·시간 )

- 여자( 0.9kcal / kg·시간 )

2) 에너지 대사율 - 활동시 필요한 에너지와 기초 대사량의 비율

* 대사량 = 기초 대사량 + 활동시 필요한 대사량

* 에너지 대사율 = 활동시 필요한 대사량 / 기초 대사량

* 예) 몇가지 활동의 대사율

기초대사율(1), 수면(0.9), 휴식(1.4), 걷기(2.0), 청소등 가벼운 활동(2.4)

공부(2.8), 체조정도의 운동(4.1), 자전거 타기(6.4), 달리기(8.1)

3) 1일 대사량 = 기초 대사량 + 활동 대사량

(4) 영양소와 에너지

1) 영양소

주영양소 - 탄수화물(4cal/g), 단백질(4cal/g), 지방(9cal/g)

부영양소 - 물, 무기염류, 비타민(생리 조절 기능)

2) 영양 권장량

영양 권장량 - 하루에 섭취하는 바람직한 음식물의 영양량

한국인의 1일 영양 권장량(성인) - 남자(2500kcal), 여자(2000kcal)

고등학교 남학생(2900kcal), 여학생(2300kcal)

권장 영양소 비율 - 탄수화물(60-80%), 단백질(14-18%), 지방(10%)

3) 에너지 균형

에너지 과잉 - 포도당 --> 글리코겐, 지방 --> 간, 근육에 저장

지방 --> 피하, 장간막에 저장

단백질 --> 아미노산 --> 간에 저장

- 비만의 원인

- 당뇨병, 고혈압, 심장병의 원인이 됨

에너지 부족 - 체중 감소, 일에 대한 의욕 상실, 감염성 질병에 약함.

단원명

.Ⅵ 에너지   6. 에너지의 흐름과 보존

학습목표

1/3차시

2000.

학습내용

참고자료

1) 자연계의 에너지 흐름 - 지구상의 에너지는 태양 에너지가 이동하거나

여러 가지 형태로 전환되어 사용

*예 ; 태양의 전기에너지가 전등의 빛에너지로 전환되는 경로

태양(열에너지) -> 수분증발(열E -> 위치E) -> 비와 물의 흐름(위치E -> 운동E)

-> 수력발전(운동E -> 전기E) ->가정의 전등(전기E -> 빛 E)

태양(빛에너지) -> 광합성(빛E->화학E) -> 화력발전(화학E->열E->운동E->전기E)

-> 가정의 전등(전기E -> 빛E, 열, 운동, 화학)

2) 에너지의 특성

열역학 제 1법칙 - 에너지는 창조되거나 파괴되지 않고 보존된다.

열역학 제 2법칙 - 에너지가 전환될 때 100% 효율로 전환되지 않는다.

3) 에너지의 종류 - 빛, 핵, 열, 전기, 역학적(운동, 위치), 화학, 등

(2) 생태계의 에너지 흐름과 보존

1) 생태계 - 어떤 지역의 생물과 비생물의 환경으로 구성된 단위

(생물 집단과 환경 사이의 상호작용)

생태계	생물 군집	생산자	녹색 식물, 광합성 세균 : 무기물 -> 유기물
		소비자	1차소비자, 2차소비자, 3차소비자: 유기물을 소비
		분해자	세균, 균류: 유기물 -> 무기환경
	무기 환경	빛, 온도, 물, 무기염류, 산소, 이산화탄소, 토양 등

 

2) 생태계의 구성 - 생산자, 소비자, 분해자, 무기환경

3) 생태계의 에너지 흐름

빛에너지 -> 녹색식물(생산자)의 화학에너지) -> 소비자 -> 분해자

생태 피라미드

i) 에너지 피라미드 - 생물의 에너지량은 영양 단계가 높을수록 점차 감소

*참고-영양단계 : 1영양단계(생산자), 2영양단계(1차소비자), 3영양단계(2차소비자)

ii) 개체수 피라미드 - 생물의 개체수는 "

iii) 생물량 피라미드 - 생물의 총 건조 중량은 "

생태계의 물질 순환과 에너지 흐름도

녹색식물( 무기물 -> 유기물) ---> 동 식물의 생활 에너지(동 식물의 사체 및 배설물)

---> 분해자(유기물 -> 무기물)

(생태계의 물질 순환과 에너지 흐름) 그림으로 제시 158쪽

4) 생태계의 에너지 효율 = 현단계의 에너지량/전단계의 에너지량 * 100%

(3)에너지의 전환

(3) 에너지 형태를 바꿀 수 있을까?

1) 에너지의 전환

호흡 : 화학에너지 -> 열에너지

광합성 : 빛에너지 -> 화학에너지

수력발전 : 위치에너지 -> 운동에너지 -> 전기에너지

화력발전 : 화학에너지 -> 열에너지 -> 운동에너지 -> 전기에너지

엔진 : 화학에너지 -> 열에너지 -> 운동에너지

2) 에너지는 전환 과정에서 일부가 열에너지로 방출

3) 실험에서의 에너지 전환 과정

알코올 램프와 바람개비 : 화학에너지 -> 열에너지 -> 운동에너지

자전거의 전등 : 생물에너지 -> 운동에너지 -> 전기에너지 -> 빛에너지

4) 에너지 전환 과정에서 전체 에너지의 양은 일정함

-> 에너지의 전환이 일어났을 뿐 전체 에너지량은 일정(에너지 보존법칙:열역학1법칙)

5) 전환된 에너지의 양이 앞 단계의 에너지 양보다 적었다면, 부족한 에너지는 어떻게 되었는가?

-> 에너지 전환 과정에서 많은 양의 에너지가 열에너지로 빠져나가고, 일부만 다음 단계로

전환된다.

6) 에너지 효율 = 현 단계의 에너지량/ 전단계의 에너지량 × 100%

(4) 호수에서의 에너지 흐름 : 태양에너지 -> 수중식물, 식물성 플랑크톤 -> 동물성 플랑크톤

-> 작은 물고기 -> 큰 물고기

1) 각 단계에서의 에너지 효율

생산자의 에너지 효율 = 8833/1700000 * 100 = 약0.52%

1차 소비자의 에너지 효율 = 1478/8833 * 100 = 약 16.73%

2차 소비자의 에너지 효율 = 67/1478 * 100 = 약 4.53%

3차 소비자의 에너지 효율 = 6/67 * 100 = 8.96%

2) 각 단계의 에너지 피라미드

8833 : 8cm2 = 1478 : X

3) 생물의 에너지 원천 : 태양 에너지

(5) 에너지 절약