열역학 제1법칙과 2법칙

목차

1. 열역학 제1법칙
2. 열과 일의 관계
3. 밀폐계의 열역학 제1법칙
4. 개방계의 열역학 제1법칙
5. 열역학 제2법칙
6. 열역학 제2법칙의 필요성
7. 열의 방향성
8. 카르노 사이클

본문내용

열역학 제1법칙
열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙 이라고도 하는데, 줄의 실험은 이 법칙을 공식화하는 데 크게 공헌하였다. 이 법칙은 에너지 보존과 변환에 관한 내용을 포함하고 있으며, 그 내용을 요약하면 “에너지는 여러 가지 형태로 변환이 가능하나, 절대적인 양은 일정하다.”라는 것이다.
열은 에너지의 일종으로서 기계적인 일은 열로 변환될 수 있고, 또 열은 기계적인 일로 변환될 수 있다. 이러한 관계를 실험적으로 증명하는 데 크게 기여한 것은 1943년에 실시된 줄의 실험이다. 이 실험은 열이 외부와 출입할 수 없는 단열된 용기 속에 휘젓기 날개가 잠겨 있고, 이것은 풀리(pulley)를 통해 추에 연결되는데, 실험이 시작되면 추는 위에서 밑으로 떨어지고, 동시에 휘젓기 날개는 회전하며 용기 속에 있는 물의 온도는 올라간다. 이 실험에서 알 수 있는 것은 추의 위치 에너지가 휘젓기 날개를 회전시켜, 물의 온도를 변화시킬 수 있다는 것이다. 즉, 위치 에너지는 기계적 에너지로 변환되며, 이것은 또한 물의 온도를 높이는 열로 바뀔 수 있다는 것이다.

열과 일의 관계
기계가 일을 하기 위해서는 다른 형태의 에너지가 필요하며, 열기관이 연속적으로 동력을 발생하기 위해서는 열이 계속적으로 공급되어야 한다. 어떤 기관이 열량 Q[kcal]을 소비하여 W[kg⦁m]의 일을 했다면, 열과 일 사이에는 W[kg⦁m]∾Q[kcal]의 관계가 성립되며 이것을 등식으로 표시하면 W = J⦁Q 가 된다.
비례 상수 J = 427[kg⦁m/kcal] = 4187[J/kcal]는 열을 일로 변환시키는 계수로서, 열의 일당량(mechanical equivalent of heat)이라 한다. 이 값은 1kcal의 열량이 427[kg⦁m]의 일로 변환된다는 것을 뜻하며, 줄의 실험에서 입증되었다. 반대로 위의 등식에서 Q는 J의 역수에 W를 곱한 값으로 1/427[kcal/kg⦁m]가 되고, 이것을 일의 열당량(heat equivalent of work)이라 한다.

밀폐계의 열역학 제1법칙
밀폐된 고무풍선에 열을 가하면 풍선 안에 있는 기체의 온도는 올라가고, 풍선의 팽창 때문에 주위에 일을 하게 된다.

참고자료

· 없음