고등 통합과학 에너지 전환과 에너지효율 예상문제

에너지 전환과 에너지효율
{유형 분석}
전기 기구에서 에너지가 전환되는 과정에서 에너지 총량이 보존된다는 에너지 보존 법칙과, 유용하게 사용되는 에너지의 비율을 나타내는 에너지 효율의 개념을 정확히 이해하고 있는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
백열전구는 소비 전력의 대부분이 빛이 아닌 열에너지로 전환되어 손실되므로 에너지 효율이 낮고, LED 전구는 상대적으로 더 많은 비율의 전력이 빛에너지로 전환되므로 에너지 효율이 높다. 전환 과정에서 에너지의 형태는 달라지지만(전기 에너지 → 빛에너지 + 열에너지 등) 에너지의 총량 자체는 보존된다.
{정답 찾기}
① 에너지 효율이 높을수록 유용하게 사용되는 에너지의 비율은 오히려 높아지므로 옳지 않다.
② 에너지가 전환되는 과정에서 형태는 달라지더라도 에너지의 총량은 항상 보존되므로 옳은 설명이다.
③ 백열전구는 소비 전력의 대부분이 열에너지로 손실되어 빛으로 전환되는 비율이 낮으므로 에너지 효율이 낮다. 옳지 않다.
④ LED 전구는 백열전구보다 에너지 효율이 높아 같은 소비 전력에서 더 많은 빛을 낼 수 있으므로 옳지 않다.
⑤ 에너지 효율은 (유용하게 사용된 에너지)/(공급된 에너지)×100으로 정의되므로 옳지 않다.
{오답 피하기}
에너지 효율 공식에서 분자는 '손실된 에너지'가 아니라 '유용하게 사용된 에너지'라는 점을 혼동하지 않아야 한다.

[최종 정답]
정답은 2번 「에너지가 전환되는 과정에서 에너지의 총량은 형태와 관계없이 항상 보존된다.」이다.

환경과 에너지 - 에너지 전환과 에너지효율
{유형 분석}
전기 기구의 에너지 효율을 구하고 비교하는 문항으로, 에너지 효율의 정의를 정확히 이해하고 있는지를 평가한다.
{자료 분석}
A는 소비 전력 $40\text{ W}$ 중 $8\text{ J/s}$만 빛에너지로 전환되므로 효율은 $\frac{8}{40}\times 100=20\%$이고, B는 $32\text{ J/s}$가 빛에너지로 전환되므로 효율은 $\frac{32}{40}\times 100=80\%$이다.
{정답 찾기}
① B의 효율($80\%$)은 A의 효율($20\%$)의 4배이므로 옳다.
② A의 에너지 효율은 $20\%$이므로 옳지 않다.
③ A에서 $1$초 동안 발생하는 열에너지는 $40-8=32\text{ J}$이므로 옳지 않다.
④ B도 공급된 에너지의 $20\%$인 $8\text{ J}$은 열에너지 등으로 손실되므로 옳지 않다.
⑤ A와 B의 에너지 효율은 각각 $20\%$, $80\%$로 다르므로 옳지 않다.
{오답 피하기}
에너지 효율은 소비 전력이 아니라 유용하게 전환된 에너지의 비율로 비교해야 함에 유의한다.

[최종 정답]
정답은 1번 「B의 에너지 효율은 A의 에너지 효율의 4배이다.」이다.

환경과 에너지 - 에너지 전환과 에너지효율
{유형 분석}
전기 에너지가 빛에너지와 열에너지로 전환되는 비율을 통해 에너지 효율의 개념을 이해하고 있는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
공급된 전기 에너지 100 J 중 백열전구는 5 J만 빛에너지로, 95 J은 열에너지로 전환되었고, LED 전구는 80 J이 빛에너지로, 20 J이 열에너지로 전환되었다. 전구의 사용 목적은 빛을 얻는 것이므로 빛에너지가 유용한 에너지에 해당한다.
{정답 찾기}
① LED 전구가 백열전구보다 에너지 효율이 높다. (O) 빛에너지로 전환된 비율이 LED 전구(80 %)가 백열전구(5 %)보다 크기 때문이다.
② 백열전구의 에너지 효율은 5 %이므로 80 %라는 설명은 틀렸다.
③ LED 전구의 에너지 효율은 80 %이므로 20 %라는 설명은 틀렸다.
④ 공급된 에너지의 총량과 전환된 에너지의 총량이 같으므로 에너지 보존 법칙은 성립한다.
⑤ 백열전구에서 발생한 열에너지는 조명이라는 사용 목적과 무관하게 대부분 손실되는 에너지이므로 유용한 에너지라고 볼 수 없다.
{오답 피하기}
에너지 효율은 공급된 에너지 중 사용 목적에 맞게 전환된 유용한 에너지의 비율임에 유의한다.

[최종 정답]
정답은 1번 「같은 전기 에너지를 공급할 때 LED 전구가 백열전구보다 에너지 효율이 높다.」이다.

에너지 전환과 에너지효율
{유형 분석}
전기 기구에서 공급된 에너지가 유용한 에너지(빛에너지)와 손실 에너지(열에너지)로 전환되는 비율을 이용하여 에너지 효율 개념을 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
에너지 효율은 (유용하게 사용된 에너지/공급된 에너지)×100으로 구한다. 백열전구는 100 J 중 5 J만 빛으로 전환되므로 효율은 5 %이고, LED 전구는 100 J 중 25 J이 빛으로 전환되므로 효율은 25 %이다.
{정답 찾기}
① LED 전구의 효율(25 %)이 백열전구의 효율(5 %)보다 높으므로 옳다.
② 백열전구의 효율은 5 %이므로 틀리다.
③ LED 전구의 효율은 25 %이며, 75 %는 열로 손실되는 비율이므로 틀리다.
④ 두 전구 모두 공급된 에너지의 일부만 빛으로 전환되고 나머지는 열로 손실되므로 틀리다.
⑤ 에너지 보존 법칙에 따라 전환된 에너지의 총량(빛+열)은 공급된 전기 에너지와 같으므로 틀리다.
{오답 피하기}
에너지 효율이 낮다고 해서 에너지가 사라지는 것이 아니라 대부분 열에너지 등 다른 형태로 전환되어 에너지의 총량은 보존된다.

[최종 정답]
정답은 1번 「LED 전구는 백열전구보다 에너지 효율이 높다.」이다.

환경과 에너지 - 에너지 전환과 에너지효율
{유형 분석}
이 문항은 에너지 효율의 정의를 이용하여 서로 다른 기구의 에너지 효율을 비교하고, 에너지 보존 법칙을 이해하고 있는지를 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
에너지 효율은 공급된 에너지 중 유용한 형태(이 경우 빛에너지)로 전환된 에너지의 비율이다. 백열전구는 $100\text{ J}$ 중 $5\text{ J}$이 빛에너지로 전환되므로 효율은 $5\%$이고, LED 전구는 $30\text{ J}$이 빛에너지로 전환되므로 효율은 $30\%$이다.
{정답 찾기}
① 백열전구의 에너지 효율은 $5\%$이므로 옳지 않다.
② LED 전구의 에너지 효율은 $30\%$이므로 옳지 않다.
③ LED 전구의 에너지 효율($30\%$)이 백열전구의 에너지 효율($5\%$)보다 높으므로 옳다.
④ 에너지는 전환 과정에서 새로 생기거나 없어지지 않고 총량이 보존되므로, 공급된 에너지의 총량과 전환된 에너지(빛에너지+열에너지)의 총량은 같다. 따라서 옳지 않다.
⑤ 열에너지로 전환된 에너지도 에너지 보존 법칙에 따라 사라지지 않고 형태만 바뀐 것이며, 다만 재사용하기 어려운 형태로 흩어질 뿐이다. 따라서 옳지 않다.
{오답 피하기}
에너지 효율은 '전환된 유용한 에너지 ÷ 공급된 총 에너지 × 100'으로 계산하며, 에너지가 열로 전환되었다고 해서 에너지 총량이 줄어드는 것은 아니라는 점에 유의해야 한다.

[최종 정답]
정답은 3번 「LED 전구는 백열전구보다 에너지 효율이 높다.」이다.

환경과 에너지 - 에너지 전환과 에너지효율
{유형 분석}
이 문항은 에너지가 전환되는 과정에서 에너지 총량은 보존되지만, 유용하게 사용할 수 있는 에너지의 비율(에너지 효율)은 전환 과정에서 발생하는 열 손실 등으로 인해 감소함을 이해하는지 확인하는 문항이다.
{자료 분석}
공급된 전기 에너지 $100\text{ J}$ 중 유용하게 전환된 에너지는 $25\text{ J}$이고, 나머지 $75\text{ J}$은 열에너지로 손실되었다. 에너지 효율(%) = (유용하게 전환된 에너지 / 공급한 에너지) $\times 100$ 이므로 이 전기 기구의 에너지 효율은 $\frac{25}{100}\times 100=25\text{ \%}$이다.
{정답 찾기}
① 에너지 보존 법칙은 에너지의 총량이 전환 전후에 일정하게 유지된다는 법칙으로, 유용한 형태가 아닌 열에너지로 전환되어 손실되는 것과는 별개이므로 옳지 않다.
② 에너지 효율의 정의와 계산 결과($25\text{ \%}$)가 모두 옳다.
③ 에너지 효율은 $75\text{ \%}$가 아니라 $25\text{ \%}$이므로 옳지 않다.
④ 에너지가 전환되는 과정에서도 에너지 보존 법칙에 따라 에너지의 총량은 일정하게 유지되므로 옳지 않다.
⑤ 열역학적으로 에너지 전환 과정에서 필연적으로 일부 에너지가 열로 손실되므로 효율이 $100\text{ \%}$인 기구는 만들 수 없다.
{오답 피하기}
에너지 보존 법칙(에너지의 총량 일정)과 에너지 효율(유용하게 사용 가능한 에너지의 비율)의 개념을 혼동하지 않아야 한다.

[최종 정답]
정답은 2번 「에너지 효율은 공급한 에너지에 대한 유용하게 전환된 에너지의 백분율이며, 이 전기 기구의 에너지 효율은 $25\text{ \%}$이다.」이다.