열역학 제0법칙_열평형

열역학 제1법칙을 설명하기에 앞서 열역학 제0법칙을 먼저 간단하게 말씀드리겠습니다. 열역학 제0법칙은 열평형에 대한 것으로 서로 다른 온도의 물질이 섞이면 시간이 흐른 후 온도는 평형을 이루어 결국 같아진다는 것입니다. 예를 들면 뜨거운 커피를 마시다가 책상 위에 올려놓고 한 참후에 다시 마시려고 하는 순간 식어 있는 커피를 발견하게 됩니다. 온도가 높은 커피에서 온도가 낮은 대기로 열이 이동하다가 온도가 같아지면 열의 이동이 멈추게 되는 것입니다.

그럼 본론으로 들어가 열역학 제1법칙에 대해 설명하겠습니다.

열역학 제1법칙_에너지 보존

열역학 제1법칙은 한마디로 에너지 보존의 법칙에 대한 것입니다.

힘이 작용하는 공중의 물체

공을 하늘 위로 던지는 모습을 상상해 봅시다. 공을 위로 던지는 힘의 작용에 의해 공은 하늘로 날아가고 속도를 가지게 됩니다. 그리고 공에는 수직방향으로 중력이 작용합니다. 이 때 공은 속도의 함수인 운동에너지를 가지게 되고 중력에 의한 위치에너지가 생깁니다. 그 에너지는 던지는 힘에서 비롯됩니다. 에너지와 일은 같은 단위이기 때문에

던지는 힘에 의해 한 일(던지는 힘 x 공이 이동한 거리) = 공이 가지게 된 운동에너지 + 공이 가지게 된 위치에너지

(F: 던지는 힘 / S: 공이 이동한 거리 / m: 공의 질량 / V: 공의 속도 / g: 중력가속도 / h: 공의 높이 )

이렇게 일은 운동에너지와 위치에너지로 형태가 변합니다. 공이 하늘에서 정지하는 시점에서는 다시 바닥으로 떨어지기 시작합니다. 그리고 공이 바닥에 닿을 즈음에는 공의 속도가 최대가 됩니다. 즉 공의 높이가 속도로 변하게 되고 이는 위치에너지가 운동에너지로 변하는 것을 의미합니다.

에너지의 형태는 운동에너지와 위치에너지 외에 내부에너지가 있습니다. 내부에너지는 어떤 밀폐된 시스템에 일을 가했을 때 그 시스템 내에 존재하는 물질의 물성치가 변화하는 것을 의미합니다.

예를 들어 탱크에 여러가지 물질을 넣고 스크류 프로펠러 같은 것으로 휘저어 주는 교반기라고 하는 장치를 생각해 봅시다. 모터의 동력으로 스크류 프로펠러가 회전하면서 탱크 내의 물질을 섞어 주는 것입니다. 여기서 모터가 전기에너지를 가지고 일을 했고 스크류 프로펠러가 전달받아 회전 일을 합니다. 탱크 내의 물질은 섞이면서 에너지가 상승하는 데 이것을 내부에너지라고 합니다. 그리고 다른 예로 스프링을 힘껏 눌렀을 때 스프링이 눌려진 상태가 내부에너지를 가지고 있는 상태입니다. 그래서 에너지는 운동에너지와 위치에너지, 내부에너지의 합이며 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

한편, 일은 힘 x 거리이고 단위는 N x m 입니다. 힘은 압력 x 면적 이고 그러므로 일은 압력 x 면적 x 거리로 표현할 수 있습니다. 면적 x 거리는 부피 이므로 따라서 일은 압력 x 부피로 설명가능합니다.

자동차 엔진의 피스톤 운동에서 연료가 연소하면서 폭발이 일어나 피스톤이 운동하는 것은 일을 하는 것이고 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

압력이 일정하다고 가정한 경우에 일은 W = p x (V2 – V1) 으로써 압력 x 부피의 변화가 됩니다.

일을 하면 에너지의 변화가 발생한다고 앞서 설명드렸습니다. 이것을 수식으로 표현하면 다음과 같습니다.

여기서 W 앞의 마이너스(-)는 외부로 부터 시스템에 일이 가해진 상황입니다. 반대로 플러스(+)는 외부로 시스템이 일을 한 상태를 표시합니다. 앞의 교반기의 예로 교반기 내의 물질에 스크류 프로펠러가 일을 가했기 때문에 이때는 – W로 표현됩니다.

지금까지 위의 내용은 열의 출입이 없는 상황을 설명드렸습니다. 이것을 단열과정이라고 합니다. 열이 전도, 대류, 복사 등 다양한 형태로 외부로 부터 시스템내부로 전달이 발생하게 되면 아래와 같이 공식이 바뀝니다.

Q라는 열이 추가되면 외부에서 시스템으로 들어오면 플러스(+)이고 시스템 밖으로 방출되면 마이너스(-)입니다.

시스템에 열을 가하고 일을 하게 되면 에너지의 변화가 생기고 이 에너지의 균형(Balance)가 유지된다는 것이 열역학 제1법칙의 내용입니다.