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1. 열역학
1.1. 열역학 개요
1.1.1. 열역학의 정의
열역학이란 변화를 일으키는 능력인 에너지를 다루는 과학으로 정의할 수 있다. 열역학이라는 용어는 그리스어 "therme(열)"과 "dynamics(힘)"에서 유래되었다. 즉, 열역학은 열에너지를 다루는 학문이며, 물질과 에너지의 변화 과정을 연구한다.
열역학은 에너지 변환과 관련된 네 가지 기본 법칙을 다룬다. 첫째, 에너지는 생성되거나 소멸되지 않고 형태만 변화한다는 에너지 보존 법칙을 설명하는 열역학 제1법칙이 있다. 둘째, 자발적으로 일어나는 과정은 열의 질을 저하시키는 방향으로 진행된다는 열역학 제2법칙이 있다. 셋째, 열역학 제0법칙은 열평형의 개념을 정립하여 온도 측정의 기초를 제공한다. 넷째, 열역학 제3법칙은 절대 영도에서의 엔트로피 변화를 설명한다. 이러한 네 가지 열역학 법칙은 1850년대에 윌리엄 랭킨, 루돌프 클라우지우스, 켈빈 남작 등의 연구 결과로 발견되었다.
열역학은 고전열역학과 통계열역학의 두 가지 접근법으로 발전되어왔다. 고전열역학은 각 입자의 거동에 대한 분석 없이 거시적인 관점에서 연구하는 방법이며, 공학 문제 해결에 직접적이고 쉬운 방법을 제공한다. 반면 통계열역학은 많은 입자 집단의 평균적인 거동에 대한 미시적인 접근법으로, 고전열역학보다 훨씬 복잡하다.
1.1.2. 열역학 제1법칙
열역학 제1법칙은 에너지보존법칙에 대한 하나의 표현이다. 즉, 상호작용 중에 에너지는 형태가 변화될 수는 있으나 변화된 에너지의 총량은 일정하다는 법칙이다.
열역학 제1법칙에 따르면 어떤 계에 작용하는 열량(Q)과 일량(W)의 합은 계의 내부에너지 변화(ΔU)와 같다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.
Q - W = ΔU
여기서 Q는 계에 공급된 열량, W는 계가 외부에 행한 일, ΔU는 계의 내부에너지 변화량을 나타낸다.
이 법칙은 다음과 같은 의미를 가진다.
첫째, 열은 에너지의 한 형태이며, 열과 일은 서로 전환이 가능하다는 것이다.
둘째, 에너지는 창조되거나 소멸되지 않고 단지 형태만 변할 뿐이라는 것이다.
셋째, 어떤 계에 작용하는 열량과 일량의 대수적 합은 그 계의 내부에너지 변화와 같다는 것이다.
또한 열역학 제1법칙은 다음과 같은 특성을 가진다.
1) 열역학 제1법칙은 에너지 보존법칙을 나타내는 것으로, 어떤 과정에서도 에너지가 소멸되거나 새로이 생겨나지 않는다.
2) 열역학 제1법칙은 계의 초기상태와 최종상태만을 고려하며, 경로에 따른 열량과 일량의 변화는 고려하지 않는다.
3) 열역학 제1법칙은 열과 일 사이의 양적인 관계를 규정하지만, 그 과정의 방향성에 대해서는 언급하지 않는다.
따라서 열역학 제1법칙은 에너지의 양적인 보존만을 규정할 뿐, 에너지의 질적인 측면이나 자연 현상의 방향성에 대해서는 설명하지 않는다. 이를 규정하는 것이 열역학 제2법칙의 역할이다.
1.1.3. 열역학 제2법칙
열역학 제2법칙은 에너지가 양(quantity)을 가질 뿐만 아닌 질(quality)을 가지고 있으며, 질을 변화시킬 때는 저하시키는 방향으로 진행된다는 것을 서술한 법칙이다. 즉, 자연계의 모든 과정은 일률적으로 열이 한 방향으로만 이동하여 결국 모든 에너지가 저열로 전환된다는 것을 의미한다.
열역학 제2법칙에 대한 주요 내용은 다음과 같다. 첫째, 자연 상태에서 열이 저온에서 고온으로 저절로 이동하는 경우는 없다. 열은 항상 고온에서 저온으로 이동하며, 이러한 열의 자발적 이동은 불가능하다. 둘째, 열기관과 같은 어떤 기계장치로 열을 모두 일로 전환시킬 수는 없다. 즉, 실제로는 열기관이 모든 에너지를 일로 전환할 수 없으며, 일부는 폐열로 방출되어야 한다. 셋째, 영구기관이라 불리는 완전한 변환기의 설계는 불가능하다. 영구기관은 에너지를 외부에서 받지 않고도 계속해서 일을 할 수 있는 기계이지만, 이는 열역학 제2법칙에 위배되어 존재할 수 없다.
열역학 제2법칙은 다양한 방식으로 표현될 수 있다. 가장 널리 알려진 표현 방식은 켈빈-플랑크 서술과 클라우지우스 서술이다. 켈빈-플랑크 서술은 "열기관은 모든 열을 일로 전환할 수 없다"는 것이며, 클라우지우스 서술은 "열은 저온에서 고온으로 자발적으로 흐를 수 없다"는 것이다. 이 두 가지 서술은 모순되지 않고 오히려 상호 보완적인 관계에 있다.
열역학 제2법칙은 다양한 분야에 적용되며, 이를 통해 자연 현상을 이해하고 공학적 문제를 해결할 수 있다. 예를 들어 열기관의 열효율, 냉동기와 열펌프의 성능, 엔트로피 개념 등은 열역학 제2법칙에 기초하고 있다. 또한 생명체의 대사 과정, 우주의 진화, 정보 이론 등에도 열역학 제2법칙이 적용된다.
따라서 열역학 제2법칙은 자연 현상을 이해하고 다양한 공학 문제를 해결하는 데 매우 중요한 역할을 하며, 현대 과학과 기술의 발전에 기여하고 있다고 할 수 있다.
1.2. 고전열역학과 통계열역학
고전열역학은 거시적인 관점에서 열역학 문제를 해결하는 접근법이다. 이는 계 전체의 거동에 초점을 맞추어 개별 입자의 거동을 고려하지 않는다. 따라서 고전열역학은 공학적 문제 해결에 있어 직관적이고 간단한 방법을 제공한다. 이와 달리, 통계열역학은 계를 구성하는 수많은 입자들의 평균적인 거동을 미시적으로 분석하는 접근법이다. 통계열역학은 고전열역학에 비해 훨씬 복잡하지만, 물질의 근본적인 성질을 이해하는 데 도움을 준다.
고전열역학은 "열"과 "일"이라는 거시적인 개념을 중심으로 열역학 법칙을 설명한다. 즉, 계와 주위와의 에너지 교환을 통해 계의 상태 변화를 다룬다. 반면 통계열역학은 계를 구성하는 무수한 입자들의 통계적 거동을 분석하여 열역학 법칙을 설명한다. 따라서 통계열역학은 계의 미시적 구조와 입자들 간의 상호작용을 고려한다.
고전열역학은 실제 공학적 문제 해결에 있어 매우 유용하다. 왜냐하면 고전열역학은 계의 거시적인 특성만을 다루기 때문에 복잡한 계산 없이도 문제를 해결할 수 있기 때문이다. 예를 들어 열기관의 효율, 냉동기의 성능 등을 고전열역학적 접근으로 쉽게 분석할 수 있다.
반면 통계열역학은 계의 미시적 구조와 입자 수준의 상호작용을 고려하므로 훨씬 복잡한 수학적 분석이 요구된다. 하지만 통계열역학은 물질의 근본적인 성질을 이해하는 데 도움을 준다. 예를 들어 기체의 상태방정식, 고체의 비열 등을 통계열역학적 관점에서 설명할 수 있다.
결론적으로, 고전열역학과 통계열역학은 열역학 연구에 있어 서로 다른 접근법을 취한다. 고전열역학은 공학적 문제 해결에 유용하지만, 통계열역학은 물질의 근본적인 특성을 이해하는 데 도움을 준다. 이처럼 두 접근법은 서로 보완적인 관계에 있다고 할 수 있다.
1.3. 열역학 계(System)
열역학 계(System)는 검사를 위해 선택된 물질의 양이나 공간 내의 영역이라고 정의된다. 계 밖의 질량이나 영역을 주위(surroundings)라고 하고 계와 계의 주위를 분리하는 실제,가상 표면을 경계(boundary)라고 한다.
계에는 조사하는 대상이 고정질량인지 아니면 공간 내의 고정체적인지에 따라 밀폐계와 개방계로 나눌 수 있다. 밀폐계는 정해진 양의 질량으로 구성되어 있고, 질량은 경계를 통과할 수 없는 계를 말한다. 하지만 에너지는 열, 또는 일의 형태로 경계면을 통과할 수 있다. 여기서 특수하게 에너지조차 질량과 같이 계의 경계를 통과할 수 없는 계를 고립계라고 한다.
개방계(또는 검사체적)란 에너지뿐만 아니라 밀폐계와 다르게 질량 또한 경계를 통과할 수 있는 계를 말한다. 이 개방계는 많은 공학적 문제를 모델화 할 수 있다.
열역학 계의 특성을 나타내는 것들을 상태량이라 하며, 여기서의 특성이란 압력(P), 온도(T), 체적(V), 질량(M)등이 있으며 이외에도 점도, 열전도율, 탄성률, 열팽창계수, 전기저항, 속도, 그리고 고도 등이 있다. 상태량은 두가지로 나눌 수 있는데 하나는 온도, 압력, 밀도와 같이 계의 크기와 무관한 강성적 상태량이 있고, 또 하나는 질량, 체적, 총 에너지와 같이 계의 크기에 따라 값이 달라지는 종량적 상태량이 있다.
이처럼 열역학 계는 에너지 변환을 위해 선택된 계이며, 그 계의 특성을 잘 파악하고 정의하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
1.4. 상태량(Property)
상태량(Property)은 계의 특성을 나타내는 것들이다. 상태량에는 압력(P), 온도(T), 체적(V), 질량(M) 등이 있으며 이외에도 점도, 열전도율, 탄성률, 열팽창계수, 전기저항, 속도, 고도 등이 있다.
상태량은 강성적 상태량과 종량적 상태량으로 나눌 수 있다. 강성적 상태량은 온도, 압력, 밀도와 같이 계의 크기와 무관한 것이고, 종량적 상태량은 질량, 체적, 총 에너지와 같이 계의 크기에 따라 값이 달라지는 것이다.
상태량은 계의 특성을 나타내므로 최종-최초의 차이로 구해질 수 있는 성질을 가진다. 즉, 상태량은 과정과 무관하게 오직 초기와 최종 상태에 의해서만 결정되는 양이다. 반면, 일과 열은 계를 옮기는 경로에 따라 값이 달라지는 과정함수이다.
상태량의 종류에는 압력, 온도, 밀도, 체적, 질량, 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피 등이 있다. 이 중 압력, 온도, 밀도 등은 강성적 상태량이며 질량, 체적, 내부에너지 등은 종량적 상태량이다.
상태량은 열역학 시스템의 상태를 알려주는 지표로 사용된다. 시스템의 모든 상태량을 알...
