열역학 과정에서 계의 에너지 변화에 대한 대학생들의 이해 분석

Abstract

본 연구는 열역학 과정에서의 계의 에너지 변화에 대한 대학생들의 이해를 분석하고 물리 교수학습에 대한 시사점을 도출하기 위해 수행되었다. 이를 위해 서울에 소재한 사범대학 학부생 34명을 대상으로 수행된 총 7개의 반구조화된 문항에 대한 응답을 분석하였다, 설문지는 외력이 작용한 계의 에너지 변화에 대한 설명과 열역학에서의 일과 계의 정의를 묻는 문항으로 구성되었다. 첫째, 학생들은 계의 에너지 변화를 일, 부피 변화, 열전달, 평균운동에너지 등으로 설명하였으나, 같은 물리량을 통한 설명의 시도도 학생들의 해석에 따라 다른 결과를 가져왔다. 둘째, 학생들은 계의 에너지 변화를 일을 통한 에너지 전달을 중심으로 설명했으나, 경계에 힘이 작용하고 그 경계가 이동해야 한다는 열역학에서의 일의 정의를 정확히 이해하지 못하고 있었다. 셋째, 학생들은 열린계, 닫힌계, 고립계, 단열계를 명확히 구분하지 못하였으며 외부와의 상호작용 여부를 기준으로 계를 분류하려는 경향이 나타났다. 본 연구는 분석한 결과를 토대로 열역학의 교수학습에 대한 몇 가지 제언을 제시하였다. This study was conducted to analyze students' understanding of the energy change of the system undergoing a thermodynamic process and to draw implications for physics teaching and learning. The purpose of this study was to analyze the responses of 7 semi-structured questionnaires to 34 undergraduate students. First, students explained the energy change of the system caused by work, volume change, heat transfer, average kinetic energy, etc. However, attempts to explain the changes by using the same physical quantities led to different results according to the interpretation of the students. Second, students explained the energy change of the system mainly through energy transfer caused by work, but they did not understand the definition of work in thermodynamics; i.e., that a force must exist on the boundary and the boundary must move. Third, students did not clearly distinguish between open, closed, isolated, and adiabatic systems and tended to classify systems based on whether they interacted with the outside. Based on the results of this study, some suggestions for the teaching and the learning of thermodynamics are presented.