열역학 제1법칙, 제2법칙

열역학 제1법칙

이것을 설명하기 위해서는 기체의 내부 에너지, 기체가 하는 일에 대한 개념을 알아야 한다. 기본적인 공식은 다음과 같다.

Q = deltaU + W

이때 Q는 양수면 흡수한 열, 음수면 방출한 열이다. deltaU는 내부에너지 변화량이고, W는 일이다. 열역학 제1법칙의 의미는 열과 일의 에너지 형태는 전환될 수 있으나, 보존된다는 말이다. 열역학 과정을 통하여 다양한 상호작용을 볼 수 있다. deltaU 같은 경우에는 deltaT(온도)에 비례하기 때문에 온도가 일정하다고 하면 deltaU=0이다. 다른 말로, 열은 계속 받는데 온도가 일정하게 할려면 일해야하는 수 밖에 없다.

기체가 하는 일

기체의 압력-부피 그래프에서 그 넓이가 기체가 한 일이다. 만약 압력이 일정하다면 W=P*deltaV다. 이런 경우는 실린더 속 기체에 열을 가해 피스톤을 밀어내는 경우를 예로 들 수 있다. 일단 일은 W=Fs다. 그런데 기체가 작용하는 힘은 압력*단면적이라는 공식이 있다. 따라서 이것을 PA라고 하고 피스톤의 이동거리를 deltax라고 하면, W=PA*deltax가 된다. A*deltax는 곧 부피가 된다. 따라서 실린더 속 기체가 하는 일 공식은 W=P*deltaV이 된다. 조금만 더 나아가면 여기서 열을 받거나 빼면 부피가 증감한다. 이것 또한 일의 증감이라고 본다.

기체 내부 에너지

기체 분자의 평균 운동 에너지는 온도에 비례한다. 내부에너지는 그만큼 분자수와 온도에 비례하게 된다. 이상 기체의 경우 내부 인력을 무시하기에 퍼텐셜 에너지를 빼고 운동에너지만 생각한다.

열역학 과정

1. 등적 과정 : 부피가 일정한 과정이다(W=P*deltaV이므로, 변화량이 없으면 W=0). 따라서 W=0, Q=deltaU 이다.

W=0, detlaV=0이라고 해서 P가 0인 것은 아니다. 등적 과정에서 열 또한 내부에너지로 전환되지만 압력도 변화시킨다. 즉, 등적 과정은 Q에 따른 U를, U에 따른 Q를 보면서 동시에 압력의 증감도 볼 수 있는 것 이다.

2. 등압 과정 : 압력이 일정한 과정이다. 따라서 Q=deltaU + W 이다.

압력이 일정하기 때문에, 실린더 안이고 열이 공급된다면(Q가 상승한다면) U도 증가하며, W도 증가하여 부피는 팽창할 것이다. 그 반대는 정반대로 하면 된다.

3. 등온 과정 : 온도가 일정한 과정이다. deltaU=0이 될 수 밖에 없어서 Q=W다. 

열은 계속 받는데 온도를 유지할려면 일을 통해서 발산해야 한다. 그렇게 받아들이면 될 것 같다. 일을 하니 당연히 부피는 팽창한다.

4. 단열 과정 : 열의 출입이 없는 과정이다. 단열 팽창, 단열 압축이 잘 보여준다. Q=0이므로 W=-deltaU다. 일을 하면 그만큼 내부 에너지를 갉아먹는다. 열이 차단된 상태, 즉 단열 상태에서 만약 부피를 줄이면 일의 크기는 줄게 된다. 따라서 내부에너지는 커지게 되는데, 내부에너지는 온도에 비례하므로 내부 온도는 올라가게 된다. 이것이 단열 압축이다.

단열 팽창은 반대다. 부피를 늘리면 일이 커진다. 내부에너지는 작아지고, 온도는 내려간다.

열역학 제2법칙

제2법칙의 핵심은 가역 현상과 비가역 현상의 존재에 못을 박는 것 이다. 가역 현상은 다른 작용 필요 없이(에너지는 보존되기 때문에 다른 작용이 일어나면 외부에 변화를 남기게 된다) 스스로 복구 가능한 현상이지만, 비가역 현상은 다른 작용이 있음에 원상태로 돌아가는 현상이다. 고로 비가역 현상은 외부에 변화를 준다. 이것을 엔트로피가 증가한다고 한다. 궁극적으로는 자연계에는 보통 비가역 현상이 일어나며, 이것에는 방향성이 존재하여 마치 명제의 역처럼 참이라고 해서 역도 참이 아니라는 것을 말하고 있다.

비가역 현상에 따른 열기관의 열효율

최대의 열효율을 갖는 이상적인 열기관이라고 하는 카르노 기관도 열효율 100%를 달성하지 못한다. 왜냐하면 열역학 제2법칙 때문이다. 열을 모두 일로 바꿀 수 없는, 비가역 현상에는 방향성이 있는 탓이다.

열기관은 고열원에서 열을 받아 일로 전환한 후 어쩔 수 없이 일부를 주위(저열원)에 열을 방출한다. 이때 방출열과 일의 합은 흡수한 열과 같다. 열역학 제1법칙이다.