열역학 제1법칙과 제2법칙

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모든 에너지의 총량은 언제나 변하지 않고 일정할 것 인가? 예를 들어, 높은 곳에 있던 물체가 낙하할 때, 이 물체가 지녔던 위치에너지가 운동에너지나 열에너지로 전환 되면서 그 중 일부는 사라져 버리는 것이 아닐까? 이 문제에 대하여 최초의 관심을 가졌던 사람은 도일의 과학자 메이어(1814~1878)이었습니다. 그는 만약 위치에너지가 운동에너지로 전환되는 것을 측정할 수 있다면, 역학적 에너지를 얼마나 사용하면 얼마만큼의 열이 발생하는가를 실험으로 측정하는 한편, 열과 대등한 역학적 에너지도 측정하여 1842년에 다음과 같은 논문을 발표하였습니다. “어떤 에너지도 다른 형태의 에너지로 전환될 수 있지만, 에너지의 총량은 언제나 변하지 않고 일정하다” 메이어의 이론에 따르면, 태양에너지는 녹색식물의 내부에서 우리들의 식품이 되는 화학에너지로 변할 수 있고, 그 화학 에너지가 동물의 몸 안에서 또 다른 에너지로 변해간다는 것입니다. 그는 ‘에너지 보존의 법칙’이 존재한다는 논문을 발표 했으나 당시에는 받아들여지지 않고, 그의 논문은 36년 뒤에야 빛을 보게 되었습니다.

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2.켈빈-플랭크의 표현 - 우선 카르노기관에 대해 알아보겠습니다. 프랑스의 카르노는 이상적인 열기관인 카르노기관을 제안합니다. 열기관이란 열에너지를 역학적인 에너지로 전환시키는 기계장치를 이야기 합니다. 이 카르노 기관은 열역학 제1법칙이나 엔트로피의 개념이 나오기도 전에 카르노가 연구를 해서 만들었다 합니다. 그림에서 두 개의 열원사이에 카르노 사이클을 행하는 2개의 기관 Ⅰ,Ⅱ를 나타내었습니다. Ⅱ는 역카르노사이클을 수행하는 냉동기입니다. Ⅰ의 동작물질을 A, Ⅱ의 동작물질은 B이고 열기관 Ⅰ는 고열원에서 열량을 흡수하여 외부에 대한 일 를 수행하고 저열원으로 열량 를 방출합니다. 냉동기 Ⅱ는 저열원에서 열량를 흡수해서 열기관Ⅰ로부터 일를 받아 고열원으로 열량를 내보냅니다. 이제 Ⅰ과 Ⅱ를 조합한 것을 하나의 기관으로 간주하면 이는 저열원으로부터 열량를 흡수하여 고열원으로 열량을 방출하게 됩니다. 열역학 제2법칙에서 열은 저온도의 물체에서 고온도의 물체로 자연적으로 이동할 수 없으므로 을 고쳐쓰면 에 각기 로 배분하여 취하면의 양변은 각각 열기관 Ⅰ,Ⅱ의 열효율이므로 카르노사이클의 열효율은 동작물질에 관계없다는 것이 증명됩니다.

참고 자료

http://redcamel95.blog.me/110127926569
http://www.allaboutscience.org/first-law-of-thermodynamics-faq.htm
http://www.allaboutscience.org/second-law-of-thermodynamics.htm