국가기술자격증 기상기사를 준비하시는 수험생 분들을 위해 기상예보사 겸 기상감정사 웨더 토끼가 왔습니다♡ 지금까지 기상기사 시험의 개요와 실기 합격 전략 그리고 실기 시험 내용 중 기상전문해석에 관한 내용을 다루었습니다. 오늘은 기상기사 필기 내용 중 '대기 열역학'에 대해 다루어 달라는 요청을 해주셔서 준비해보았습니다. 이번 게시물을 시작으로 필기 내용 범위도 다룰 예정이니 필요하신 파트가 있으시면 댓글로 요청해주시기 바랍니다.
기상기사 시험의 필기 과목은 총 5개로 1) 기상 관측법, 2) 대기 열역학, 3) 대기 운동학, 4) 기후학 5) 일기분석 및 예보론이 있습니다. 이 중 대기 열역학은 대기과학 공식을 이해하고 이를 응용한 문제풀이를 수행해야 하므로 난도가 높아 충분한 준비를 하지 않으면 과락이 발생할 수 있는 과목입니다. 오늘은 기상기사 필기시험을 위해 반드시 학습하고 암기해야 하는 개념과 공식, 관련 기출문제를 다루겠습니다. 시험 준비에 도움이 되는 자료로 잘 정리하였으니 참고해주시기 바랍니다.
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1. 이상기체의 상태 방정식
1.1 아보가드로 법칙
같은 온도와 압력에서 1 mol이 차지하는 부피는 모든 기체가 같습니다. 0℃, 1 기압(표준상태) 일 때 1 mol의 분자 개수는 6x10^23개입니다.
1.2 보일 법칙
일정 온도에서 압력 P와 부피 V의 관계식입니다. 압력 X 부피는 일정합니다.
1.3 샬 법칙
압력과 온도의 관계식입니다. 부피/온도는 일정합니다.
1.4 기체 상태 방정식
이상기체 1 mol의 압력, 부피, 절대온도의 관계식입니다.
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30. 이상기체의 상태 방정식에 관한 설명으로 가장 적절한 것은? ① 기체의 밀도, 부피, 온도 사이의 관계식이다. ❷ 기체의 압력, 부피, 온도 사이의 관계식이다. ③ 기체의 압력, 점성, 온도 사이의 관계식이다. ④ 기체의 질량, 부피, 온도 사이의 관계식이다.
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2. 열역학 제1법칙
열역학 제1법칙은 한 계의 내부 에너지의 증가량은 그 계에 더해진 열 에너지에서 계가 외부에 해준 일을 뺀 양과 같다는 법칙입니다.
2.1 내부 에너지
내부 에너지 변화량은 계의 에너지 변화량과 주위의 에너지 변화량을 통해 알 수 있습니다.
계의 내부 에너지 변화량은 계가 흡수한 열과 계가 외부에 한 일의 차이의 의해 결정됩니다.
2.2 열역학 제1법칙
내부 에너지의 변화는 외부에서 계에 행하여진 일과 외부에서 가해진 열량의 합으로 표현할 수 있습니다.
열역학 제1법칙을 표현하는 방법은 2가지가 있습니다. 내부 에너지로 표현하는 방법과 엔탈피로 표현하는 방법을 각각 알아보겠습니다. 내부 에너지와 엔탈피에 대한 내용은 2.3에서 알아보겠습니다.
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38. 다음 중 열역학 제1법칙을 나타낸 식은? (단, P는 압력, α는 비체적, R은 비 기체 상수, T는 온도, △W는 단위 질량당 한 일, △U는 단위 질량당의 내부 에너지, △Q는 단위 질량당 가해진 열량, V는 부피, m은 분자량, Cv는 정적 비열이다.) ① V = mα ② Pα = RT ③ △U = Cv△T ❹ △Q = △U + △W
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2.3 내부 에너지와 엔탈피
정적 비열과 정압 피 열이 T의 함수라면 내부 에너지 변화량과 엔탈피 변화량은 아래와 같이 표현할 수 있습니다. 또한 정압 비열과 정적 비열의 차는 양수의 값을 가지는 상수로서 정압 비열이 정적 비열보다 항상 큰 값을 가진다는 것을 알 수 있습니다. 동일한 압력을 유지하여면 늘어나는 부피까지 에너지를 써야 하기 때문입니다.
2.4 가역 과정과 엔트로피
가역 과정이란 실제로 일어날 수 없는 불가능한 과정으로 계에서 발생한 과정을 다시 처음 상태로 되돌릴 수 있는 과정을 뜻합니다.
엔트로피 법칙은 열역학 제2법칙이라고도 말하며 비가역 과정을 뜻합니다. 단열 과정(dQ = 0) 일 때 엔트로피 값이 일정하므로 '등온 위 과정' 또는 '등 엔트로피 과정'이라고 부릅니다.
3. 기온감률과 온위
3.1 기온감률
공기 덩어리가 상승 또는 하강할 때 팽창 또는 수축에 의해 내부 에너지의 증감(온도 변화)이 어느 정도인지를 나타내는 값이 '기온감률'입니다. 건조 대기, 습윤 대기, 지표 부근 공기, 노점온도, 등 밀대기의 기온 감률 값은 모두 암기가 필요합니다.
3.2 응결 고도
불포화 상태의 공기가 상승할 때 단열 냉각으로 인해 수증기가 포화되어 응결이 시작되는 고도가 응결 고도입니다. 응결 고도 공식을 암기해 관련 문제를 빠르게 해결할 수 있도록 준비하셔야 합니다.
3.3 온위
온 위란 공기덩어리를 단열 과정으로 기압 1,000 hPa까지 이동시켰을 때의 온도를 뜻합니다. 온 위를 구하는 문제를 항상 출제되므로 공식을 꼭 암기하셔야 합니다.
3.4 섭씨온도, 화씨온도, 절대온도
섭씨온도와 화씨온도 환산 계산 공식을 암기하셔야 합니다. 그리고 절대 온도는 섭씨온도에 273.15도를 더한 값입니다.
4. 클라우지우스-클라페롱 방정식(Clausius-Clapeyron Equation)
클라우지우스-클라페롱 방정식은 온도와 포와 수증기 압의 관계를 나타낸 그래프입니다. 온도와 압력에 따라 얼음, 물, 수증기 중 어떤 상태인지 확인할 수 있습니다. 삼중점은 약 0 ℃, 압력 6.11 hPa 일 때입니다. 증기 압력 곡선을 연장한 가상의 선이 승화 곡선보다 기압이 높은 것을 알 수 있습니다. 이는 물이 증발해 얼음으로 승화되는 베르게 론 효과가 발생한다는 뜻입니다.
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29. Clausius-Clapeyron 방정식이 의미하는 것은? ① 고도 변화에 대한 기압의 변화 ② 기압변화에 대한 기온의 변화 ③ 기온 변화에 대한 체적의 변화 ❹ 기온 변화에 대한 포화증기압의 변화 |
5. 안정도
5.1 기온감률과 정적 안정도
건조 단열선과 습윤 단열선(실제 공기덩어리가 단열 선도 내에서 움직일 감률)에 대해 대기의 연직 온도 상태(기온 감률)가 어떠한 상태인지에 따라 안정도가 결정됩니다. 기온 감률이 건조 단열 감률보다 큰 경우 절대 불안정, 기온 감률이 건조 단열 감률보다 작고 습윤 단열 감률보다 작을 경우 조건부 불안정(대기의 상태에 따라 안정할 수도 있고 불안정할 수도 있음), 기온 감률이 습윤 단열 감률보다 작을 경우 절대 안정입니다.
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22. 조건부 불안정에 해당하는 대기의 상태는? (단, γ는 대기의 기온감률이며, Γd, Γs는 각각 건조 공기와 습윤 공기에 대한 기온감률이다.) ① Γd＜γ＜Γs ❷ Γs＜γ＜Γd ③ Γs＜Γd＜γ ④ Γd＜Γs＜γ
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5.2 온위에 의한 안정도 판정
온위가 고도에 따라 증가하는지, 일정한지, 감소하는지에 따라 '정적' 안정도를 판별할 수 있습니다. 여기서 부력 진동수 N 공식과 부력 진동주기가 약 8분이라는 것을 암기하셔야 합니다.
5.3 잠재 불안정도
단열 선도에서 LFC를 기준으로 양의 면적 S1과 음의 면적 S2의 넓이에 따라 안정도가 판별됩니다.
5.4 대류(위치) 불안정도
공기 덩어리가 상승할 때 상층의 공기보다 상당 온 위가 상대적으로 높은 하층의 공기가 더 빨리 포화되어 상승 후 불안정하게 되는 것을 뜻합니다.
6. 습도 변수
6.1 상대습도
상대습도란 현재 온도에서 포와 수증 기압에 대한 현재 수증 기압의 퍼센트 또는 포화 수증기량에 대한 현재 대기의 수증기량의 퍼센트로 표현할 수 있습니다.
6.2 절대 습도
절대 습도란 단위 부피 1m^3에 포함된 수증기의 질량을 g/m^3 단위로 표현한 것입니다. 이상기체 상태 방적식을 통해 아래와 같은 절대 습도 공식을 구할 수 있습니다. 여기서 e는 수증 기압, T는 절대온도입니다.
6.3 혼합비
혼합비란 건조 공기의 단위 질량(1kg)에 포함된 수증기의 질량(g)의 비율을 나타내는 값입니다.
6.4 비습
비습이란 습윤 공기의 단위 질량(1kg)에 포함된 수증기 질량(g)의 비율을 나타내는 값입니다. 혼합비와의 차이점은 분모에 수증기가 포함된 값이라는 것입니다.
6.4 실효습도
실효습도란 당일부터 이전 5일 동안의 일평균습도 값들에 가중치를 더해 산출한 값입니다.
7. 온도 변수
7.1 노점온도(Td)
노점온도란 포화 수증 기압이 낮아져 응결이 시작되는 온도를 뜻합니다. 노점온도를 통해 대기 중의 수증기량을 알 수 있습니다.
7.2 습구 온도(Tw)
같은 기압을 유지할 때 대기의 습도와 같은 물이 증발하여 단열 냉각된 공기 덩어리가 나타내는 온도를 습구 온도라고 합니다.
7.3 가온도(Tv)
가온도란 일정 기압, 일정 부피의 실제 공기 중에서 수증기를 완전히 제거하고 같은 체적의 건조 공기를 넣었을 때 질량이 증가 하지 때문에 나타나는 온도를 뜻합니다.
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35. 습윤 공기의 온도를 T, 혼합비를 x라 할 때, 가온도(vitual temperature) Tv를 구하는 공식은? ① Tv = (1 - 0.61x) T ❷ Tv = (1 + 0.61x) T ③ Tv = (1.61x – 1) T ④ Tv = 1.61xT + 1
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7.4 상당 온도(Te)
상단 온도란 단열 상승 시 공기 중 모든 수증기를 완전히 응결시켜 강수로 내렸다고 가정한 후 해당 공기를 원래 기압 고도로 단열 하강시켰을 때의 온도를 뜻합니다.
일반적으로 기온과 위의 4가지 온도는 아래와 같은 부등호 관계를 가집니다.
하지만 완전 포화 상태일 때 아래 3가지 온도가 모두 같으며
완전 건조 상태일 때 아래 3가지 온도가 모두 같습니다.
8. 단열 선도(Skew T - log P diagram)
8.1 상승 응결 고도 (LCL)
지상의 노점온도를 지나는 포화 혼합 비선과 온도를 지나는 건조 단열선이 만나는 점의 고도를 뜻합니다.
8.2 대류 응결 고도 (CCL)
지상의 노점온도를 지나는 혼합 비선과 온도 상태 곡선이 처음으로 만나는 점의 고도를 뜻합니다.
8.3 자유 대류 고도 (LFC)
상승 응결 고도에서 습윤 단열 과정에 의해 계속 상승하여 처음으로 온도 상태 곡선과 만나는 고도를 뜻합니다.
8.4 평형 고도 (EL)
대류 응결 고도나 자유 대류 고도에서 습윤 단열선을 따라 계속 상승하여 처음으로 다시 온도 상태 곡선과 만나는 점의 고도를 뜻합니다.
8.5 빙결 고도 (FL)
단열 선도의 등온선 0 ℃ 선이 온도 상태 곡선과 만나는 점의 고도를 뜻합니다.
8.6 층후
두 등압면의 지오 포텐셜 고도의 차를 뜻하며 아래의 공식을 통해 계산할 수 있습니다. 평균 가온도와 비례하는 값을 가지며 빈출 공식이므로 꼭 암기하셔야 합니다.
9. 단열 선도
9.1 Clapeyron diagram
등온선과 단열선과의 교각이 작으며 등온선과 단열선이 곡선이며 면석은 비례합니다.
9.2 테피 그램(Tephigram)
등온선과 단열선과의 교각이 직각이며 등온선과 단열선이 직선이고 면석이 비례하며 고도 계산이 가능합니다.
9.3 에마 그램(Emagram)
등온선과 단열선과의 교각이 45도이며 등온선과 등압선이 직선이고 면적이 비례하며 고도 계산이 가능합니다.
9.4 스튜브 다이어그램(Stuve diagram)
등온선과 단열선과의 교각이 약 45도이며 등온선, 등압선과 건조 단열선이 직선입니다. 또한 면적이 비례하지 않고 고도 계산이 불가능합니다.
9.5 Skew T - Log P diagram
등온선과 단열선과의 교각이 거의 직각이며 등온선과 등압선이 직성입니다. 또한 등온선과 등압선과의 교각이 약 45도이며 면적이 비례하며 고도 계산이 가능합니다.
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21. 다음 선도 중 등온선이 곡선인 것은? ① Emagram ② Tephigram ③ Stüve 선도 ❹ Clapeyron 선도
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오늘을 [국가기술자격증 기상기사] 시험 중 필기시험에 출제되는 [대기 열역학] 파트에 대해 다루어 보았습니다. 많은 공식이 나와서 어려우셨나요? 필요한 개념과 공식을 철저히 암기하시고 관련 기출문제를 반복해서 풀어보시면 실전에서 대기 열역학 문제 20문제를 모두 맞힐 수 있으실 겁니다. 대기 열역학 또는 다른 필기 과목과 실기 과목에 대해서 궁금하신 점이나 필요하신 내용이 있으시면 댓글로 말씀해주세요.
2021년 정기 1회 기상기사 필기시험이 3월 7일로 예정되어 있습니다. 해당 필기시험에 원서 접수하신 분들이 많으실 겁니다. 전공자 분들은 물론 비전공자 분들도 기상기사 시험을 많이 준비하는 요즘, 앞으로도 양질의 기상기사 준비 자료를 꾸준히 공유하겠습니다. 기상기사 한 번에 합격합시다. 감사합니다^^
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