공기의 열역학

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공기의 열역학

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열역학이란 물리학에 토대를 둔 과학이다. 즉, 열역학의 토대를 구성하는 것은 물리적 현상이 관찰에 기초를 둔 것이라는 말이다. 현상의 관찰을 통해서, 실험적인 증거들이 모여 관찰이 실제로 맞은 것이라고 확인하게 된다. 결국, 하나의 이론이 받아들여지고, 물리학적 관찰은 수학적인 공식으로 요약되고 이것은 이 이론이 공학적인 문제에 어디든 적용가능하게 만든다.
열역학은 주로 에너지를 다룬다. 사실 열역학은 에너지의 연구와 이것의 물질특성과의 관계라고 정의하기도 한다. 많은 사람들이 에너지의 개념에 익숙하지만, 이것을 정확하게 정의하는 사람은 별로 없다. 기초적인 수준으로 에너지는 변화를 만들어 내는 능력이라고 정의한다. 자동차 엔진의 에너지 출력은 장소를 옮겨 다니게 하는 능력을 제공한다. 발전소의 에너지 출력은 모터를 돌리거나, tv를 작동시키거나, 전구를 작동시키거나한다. 석유에서 나오는 에너지는 많은 다른 장치들을 작동시킨다. 태양 에너지는 물과 공기를 가열하는 능력을 가지고 있다.
열역학의 연구에 시작점이 되는 기본 원리는 질량 보존의 법칙, 에너지 보존의 법칙, 열역학 제2 법칙이다. 질량과 에너지의 보존은 물리학에서 자주 접하지만, 열역학 제2법칙은 열역학에 특유한 것이다. 외부의 에너지원이 없이는 열은 항상 고열원에서 저열원으로 흐른다는 기본적인 관찰로부터 엔트로피라는 개념이 공식화되고, 특정한 화학과정이 일어날지 안 일어날지 알 수 있게 된다.
열역학은 열 전달, 일의 작용, 운동에너지 위치에너지등의 중요한 관련성을 제공한다. 사실, 열역학의 주된 공헌은 한 물질에 전달된 에너지의 양과 이 물질의 특성치의 변화와의 수학적인 관련성을 보여준 곳에 있다. 이 관계식은 다양한 형태의 에너지를 이용하고 변환하는 장치의 동작을 연구하는 데 쓰인다. 따라서 열역학은 가용 에너지의 감소를 겪고 에너지의 보존에 관심이 많은 이 시대에 필수적인 것이다.
전통적으로, 열역학의 연구는 터빈, 펌프, 엔진, 압축기, 공기조화기, 등에서 강조해왔다. 열역학을 주로 기계적인 분야로 한정하는 것은 열역학이 적용될 분야를 매우 제한하는 셈이 된다. 사실, 열역학은 태양에너지 수집기, 자기 유체역학적 발전기, 로킷 엔진, 연료 전지, 풍력 파력 에너지 체계등 에너지의 형태를 변화시키는 장치에 두루 적용된다. 열역학의 기본 개념을 알아갈 수록, 이것이 적용되는 장치들이 엄청 많다는 것을 알게 된다. 따라서 열역학은 공학도와 과학자에게 모두 중요한 학문인 것이다.
열역학의 개념은 기본적으로 정규교육에서 이미 소개된다. 그리고 이것은 열역학 과정에서 확장되고, 열과학이라 부르는 유체역학과 열전달이라는 분야로 이어진다. 열역학은 공학적 시스템의 설계에 중대한 영향을 주고있고, 사실상 모든 공학적 시스템의 설계 방법론뿐 만 아니라, 재료의 선택에도 주요한 역할을 한다.

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