물리1 열역학 정리 (입문자용)

열역학은 제0법칙부터 제2법칙까지 있다.

 

열역학 제0법칙

물체 A와 B가 열평형을 이루고 물체 A와 C가 열평형을 이루면 물체 B와 C도 열평형을 이룬다.

이러한 관계를 열역학 제0법칙이라고 하고, 온도 측정의 근거가 된다.

 

 

열역학 제1법칙 

고온의 물체에서 저온의 물체로 스스로 이동하는 에너지를 열이라고 한다.

계의 내부 에너지 증가량은 외부에서 계에 가한 열에서 계가 외부에 한 일을 뺀 값과 같다.

넓은 의미의 에너지 보존 법칙이라고 한다.

 

과거에 증기 기관차를 움직일 수 있게 하기 위해 화실에서 석탄이나 나무를 때었다.

화실에서 만들어진 뜨거운 공기가 물속의 관을 타고 지나가면 물이 가열되면서 높은 압력의 수증기가 만들어지는데, 증기 기관차는 이 수증기가 팽창하는 힘을 이용해 움직였다.

화실에 석탄이나 나무를 때지 않으면 관 속의 물의 온도가 서서히 같아지면서 열평형 상태에 이르게 된다.

이후 공기와 물 사이에엇 더 이상 열의 이동이 일어나지 않는다.

(열평형 상태 : 온도가 높은 물체와 온도가 낮은 물체가 접촉하면 두 물체 사이에 열이 이동하여 결국 두 물체의 온도는 같아진다. 이때 양방향으로의 열의 이동이 균형을 이루어 열의 이동이 없어 보이는 상태가 되는 걸 열평형 상태라고 한다.)

증기 기관처럼 열에너지를 이용하여 유용한 일을 하도록 만든 장치를 열기관이라고 한다.

ex) 자동차, 선박 등의 동력 장치로 사용되는 내연 기관

 

 

내부 에너지 : 계를 이루는 분자들의 운동 에너지와 분자 사이의 인력에 따른 퍼텐셜 에너지 등 정지한 계가 가지는 전체 에너지

기체 내부 E = 운동 E + 퍼텐E

                  ↕

이상 기체 내부 E = 운동E

내부E ∝ 절대 온도 (내부 에너지는 절대 온도에 비례한다)

ΔＵ = Ek = ½mv² ∝ T

(절대 온도 : 단위는 K(켈빈)이다.  섭씨 온도(℃) 에서 -273을 해주면 된다.    -273 ℃ = 0K 으로 최저 온도이다. )

 

W = PΔV 

기체의 부피가 ΔV만큼 줄어들었다면 W＜0이 되며, 이것은 기체가 외부로부터 일을 받은 것이다.

(F = PA)

 

어떤 계의 외부에서 Q만큼의 열을 가했을 때 계가 외부에 W만큼의 일을 했다면

계의 내부 에너지 변화량 = ΔＵ

ΔＵ =Q - W

 

● 샤를 법칙 

압력이 일정할 때 기체의 부피는 그 종류에 관계없이 절대 온도에 비례한다.

Q = ΔＵ + W(PΔV) 

 

● 보일 법칙 

온도가 일정할 때 기체의 압력과 부피는 서로 반비례한다.

즉 길체의 압력을 P, 부피를 V라고 하면 'PV=일정' 의 관계가 성립한다.

Q= W 

 

● 부피가 일정할 때 

기체에 가한 열은 모두 기체의 내부 에너지를 증가시키는 데 쓰여서 기체의 온도가 높아진다.

Q = ΔＵ

 

● 단열 과정 

외부와 열의 출입을 차단하고 기체의 부피를 변화시키는 과정을 단열 과정이라고 한다.

열 출입이 없어 Q = 0이 된다.

W = - ΔＵ 

 

 

 

열역학 제2법칙 

고열원에서 받은 열을 모두 일로 바꾸고 원래의 상태로 되돌아가는 열기관을 만드는 것은 불가능하다.

열은 온도가 낮은 물체에서 온도가 높은 물체로 스스로 이동할 수 없다.

 

무질서한 정도 = 엔트로피

무질서한 정도가 높은 방향으로 진행함

엔트로피가 높은 방향으로 진행함

 

열기관이 높은 온도의 열원에서 흡수한 열 Q₁에 대한 외부에 한 일 W의 비율을 열기관의 열효율이라고 한다.

Q₂ : 저열원으로 방출한 열

열효율 e = W ÷ Q₁ = Q₁ - Q₂  ÷ Q₁ = 1 - Q₂ ÷ Q₁