열역학 기본법칙들과 용어

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열역학 기본법칙들과 용어

(1) 용어 정의

그렇게 하기로 서로 약속한 것이므로, 왜 그러냐고 묻지 마세요 ! 2를 “이” 라고 왜 발음하는지 묻는 

것과 동일

① 시스템 (system)

분명히 정의된 경계(boundary)로써 가상적으로 분리된 물질의 집합을 말함. 시스템 안에 포함되지 않은 모든 물질을 주위(surrounding)라고 말함. 

② 열역학적 성질 혹은 변수

균일한 시스템에서 모든 측정 가능한 물리적 성질이 일정한 값을 가질 때 시스템은 어떤 상태(state)에 있다고 말하며, 이러한 성질을 시스템의 열역학적 성질 또는 변수라고 부름. 따라서 시스템의 모든 성질이 동일하면 시스템의 두 상태는 동일하다고 말함. 특정한 시스템의 상태를 나타내기 위해서 어떠한 성질이 주어져야 하는 가에 대한 특별한 제한이나 방법은 있을 수 없다. (학생들이 과학을 가장 어려워하는 부분이다.) ‘어떠한 시스템에서 주요 변수는 압

력과 온도이고 또 다른 시스템의 경우는 온도만이 변수이다’라고 설명하는 경우인데, 이는 다만 경험과 

실험을 통해서만 알려지는 것이다. 

③ 과정과 사이클

시스템이 한 상태에서 다른 상태로 변화할 때 각 상태의 연속된 경로를 과정(process)라고 하고 최초 상태의 시스템이 여러 다른 과정을 지나 최종적으로 최초의 상태로 되돌아갈 때 시스템은 사이클(cycle)을 이루었다고 말한다. 따라서 사이클이 완료되면 모든 성질은 시스템이 최초로 가졌던 성질과 동일하게 된다. 여기서 주의하여야 하는 것은 여기서 말한 사이클은 열역학적 사이클로서 일상생활에서 사용하는 사이클과는 구분되어야 한다. 예를 들면 4행정의 피스톤 엔진이 하나의 기계적 사이클을 이루고 나면 피스

톤과 실린더의 상대적 위치, 밸브의 개폐 상태 등은 초기 상태와 같으나, 열역학 시스템으로서 관심을 갖는 동작물질은 공기와 연료의 혼합물로부터 대기 중으로 방출되는 연소 생성물로 바뀌므로 열역학적 사이클은 형성하지 않게 된다. 여기에서 공학의 묘미가 있다. 복잡해 보이는 기계적 사이클에 여러 가지 과학적 타당성을 가지는 가정을 사용하여 간단한 모델로 만들어 우리가 알고 있는 간단한 기본 법칙들을 사용하여 그러한 기계적 사이클이 어떻게 작동하고 변수들에 의하여 어떻게 영향 받는지를 예측할 수 있다.

 ④ 기체의 비열기체의 비열에는 정적비열과 정압비열, 두 종류가 있다 . 먼저 정적비열이란 아래 그림과 같이 기체의 부피를 일정하게 했을 때(정적과정)의 비열을 말하며, Cv로 나타낸다. 기체의 부피가 일정하므로 기체는 외부에 일을 하지 않는다. 그러므로 기체에 가해진 열은 모두 기체의 내부 에너지가 된다. 공기의 경우, 산소와 질소가 대부분을 차지하므로 이원자 분자로 간주하여,정압비열은 다음 그림과 같이 기체의 압력을 일정하게 했을 때(정압과정)의 비열을 정압 비열이라고 하며, Cp로 나타낸다. 이 때 기체는 팽창하므로 외부에 일을 하면서 내부 에너지도 증가하기 때문에 부피를 일정하게 했을 때보다 더 많은 열량을 필요로 한다. 

⑤ 엔트로피(entropy)

열역학·통계역학 분야의 용어. 열 현상 등 열역학적 현상의 비가역성을 수량적으로 나타내기 위해 도

입된 상태량의 하나로, 분자의 열운동 등 입자의 미시적 운동 상태의 무질서한 정도를 나타내는 양이다. 물체를 가열하면 분자의 열운동이 더욱 활발해지므로 미시적 운동 상태의 무질서도, 즉 엔트로피는 증가한다. 열역학에서는 절대온도 T의 물체가 천천히 가열되어 열량 Q를 받게 되면 엔트로피는 Q/T 만큼 증가하고, 반대로 천천히 방열되어서 열량 Q′을 잃었을 때 엔트로피는 Q′/T만큼 감소된다고 정의한다. 또 열평형상태 A로부터 다른 열평형상태 B로 바뀐 경우 물체의 엔트로피의 변화는, A로부터 B로 극히 천천히 변화시켜 가는 과정에서, 각 시각마다 출입하는 열량을 그 시각마다의 온도로 나눈 것의 대수합으로서 계산한다. 이 경우에 A로부터 B로의 상태변화는 천천히 진행시켜야 하는데, 이같이 등온변화로 진행시키지 않으면 물체의 온도가 부분적으로 달라지게 되어 물체의 온도를 정할 수 없게 되기 때문이다. 

0 total sys sur D = D + D > S S S여기서 주의할 것은 일반인들이 흔히 “엔트로피는 항상 증가한다.” 라고 얘기하는 데 이 이야기는 엄밀히 따지면, 틀린 말이다. 위의 식에서 알 수 있듯이 dQ 가 음의 값 즉, 어떤 시스템(혹은 물체)에서 열을 빼앗으면, 그 시스템의 엔트로피는 감소하게 된다. 단지 시스템을 포함한 보다 큰 공간으로 생각하고 그 공간은 주위와 열의 이동이 일어나지 않고, 고립되어 있는 경우라고 생각하여야만, 전체 엔트로피는 증가한다. 

⑥ 이상기체이상기체(ideal gas)란 실제로 존재하지 않는 이상적인 기체로서 완전기체(perfect gas)라고 부르기도 한다. 이상기체는 이상기체 방정식, 완전기체 상태방정식(perfect gas equation), 보일-샤를의 법칙이라고도 하는 상태방정식을 따른다. Pv=RT(P는 기체의 압력, v는 1 몰당 비체적, R은 일반기체상수, T는 절대온도)로 나타내는데, 이는 보일의 법칙과 샤를의 법칙에서 유도되었다. 이 식에 엄밀히 따르는 기체를 이상기체라 하는데, 이상기체는 다음과 같은 조건을 만족시켜야 한다. a. 분자간 상호작용이 없을 것 b. 일원자분자일 것 c. 유한한 크기의 분자를 포함하지 않을 것 d. 내부 에너지가 온도만의 함수이고 밀도와는 관계없을 것 등이다. 실제로 존재하는 모든 기체는 높은 온도와 충분한 저압에서 이상상태에 가깝다. 그러므로 이상기체상태방정식은 실제 기체를 기술하기 위한 하나의 극한법칙이자, 온도의 열역학적 눈금을 정의하는 중요한 식이기도 하다.

 ⑦ 가역과정

가역과정이란 시스템이 한 상태에서 다른 상태로 변화하고 다시 최초의 상태로 복귀하며 시스템 자체 및 주위에 아무런 영향을 주지 않는 이상화된 과정으로서 실제 자연계에서는 존재하지 않을 것으로 생각된다. 하지만, 가역과정은 실제로 존재하지 않으면서도 열역학 과정 설명 및 공식화에 매우 중요한 역할을 한다. 이 가역과정은 단열과정이란 말과 합쳐서 등엔트로피 과정이란 말이 탄생한다. 즉 엔트로피가 일정한 과정이 생긴다. 열이 차단되어(단열과정) dQ 가 영이면, 엔트로피의 변화가 없는 것처럼 보이지만, 가역과정이 아니면,(예를 들어 마찰 등에 의해 손실이 생기면) dQ 가 영이더라도 엔트로피는 증가하데 된다. 그래서 열역학 사이클 해석시 보다 실제와 가깝게 하기 위해 ‘그 부분의 효율’ 이란 용어를 도입하여 적용한다. 

출처 : 한국우주항공 교육원