Intro
지난 시간 설명드린 연속방정식을 잘 이해하셨다면, 오일러 방정식이라고 하는 지배방정식의 특징을 파악하셨을 것입니다. 특정한 연구나 해석을 하고자 하는 검사체적을 만들고, 체적 안을 들어오고 나가는 물리적 특성들에 대해 수식을 전개함으로써, 특정한 물리량이 체적 안에서 새로 만들어지거나 파괴되지 않고, 체적 안을 다시 빠져나가는 총량 불편의 법칙을 나타 낼 수가 있습니다. 이러한 특성들을 수식으로 나타냄으로써 우리는 원하는 공정의 경계조건을 설정하면 공정내부의 물리적 특성들을 계산할 수 있게 됩니다.
그렇다면 열역학에서 중요하게 생각하는 총량의 법칙은 무엇인가요?
먼저 열역학이란 정역학, 동역학, 재료역학과 같이 주요 4대 역학 중 하나의 학문입니다. 열역학은 열과 에너지를 물체의 온도나 상태와 관련지어 설명하는 학문으로 정의할 수 있습니다. 역학이란 사실 고등과학까지는 힘과 운동을 설명하는데 익숙한 내용입니다. 바로 뉴턴의 법칙에서부터 시작하여 물체가 나타내는 거시적인 운동을 설명하는 것이죠. 여기서 힘과 운동이란 원인에 의해 어떤 결과가 발생하게 되는데, 열역학에서는 열과 에너지를 물체의 온도나 상태와 관련지어서 그 결과를 도출해 냅니다.
따라서, 열역학에서 말하는 에너지가 무엇인지 설명하기 위해서는 열역학에서 정의하는 상대적 변수인 온도에 대해서 역학적으로 먼저 이해하는 것이 중요합니다.
열역학 0법칙
열역학 0 법칙은 물질 A, B, C 가 있을 때, A-C, B-C가 열적 평형상태라면 A-B도 열적 평형상태에 있음을 의미합니다. 이는 기존 열역학 물질 특성인 밀도, 부피, 압력 등이 A, B, C 각 물질에서 모두 다름에도 불구하고 각 상태가 열적 평형에 있다는 것을 규명하기 위해 ‘온도’라는 새로운 물질 변수를 정의하였다고 이해하면 좋을 것 같습니다. 열적평형에 있다는 말은 다시 말하면, "두 물체는 서로 열을 이동시키지 않는다"라고 말할 수 있습니다. 당연한 말 같겠지만, 중요하고 이론적으로 잘 이해하고 있다면 열역학을 당연하게 잘할 수 있지 않을까요?
온도는 물체의 절대적인 냉온의 정도를 나타내는 변수가 아닌 상대적 차이로 규정되며, 이는 다시 말해, (뒤로 갈수록 중요한 이론적 접근이 될) 열의 이동 여부를 결정해 주는 변수로 이해해야 합니다. 예를 들어, 같은 온도의 나무판과 철판이 있을 때 우리 몸은 철판이 더욱 차갑다고 느끼며 이는 철판에서 열의 이동이 더 쉽게 발생함을 알 수 있습니다.
열역학 0법칙은 열적 평형과 온도는 상대적 변수임을 말합니다.
사례
라면을 끓이기 위해 물이 적은 A 냄비와 물이 많은 B 냄비를 가열한다고 하면, 어떤 냄비가 더 빨리 끓어오를까요? 경험에 의해 정답이 A라는 것을 알고 계실 것입니다. 이를 열역학적으로 설명하면 더 많은 열에너지를 필요로 하기 때문입니다.
그렇다면 이렇게 끓인 두 냄비를 하나의 큰 냄비로 옮겨서 물을 합쳤다고 해보겠습니다. 물의 양이 다른 두 냄비를 하나로 합치게 되면 온도가 변할까요? 그렇지 않습니다. A 물과 B 물이 서로 섞이게 되어 접촉하게 되면 열이 이동할 수 있지만, 같은 물질인 물이 서로 열적 평형을 이루기 때문에 온도는 변하지 않고 그대로 평형을 유지하게 됩니다.
즉, 열에너지의 양과 열의 평형은 무관하다.
결론
정리하면 열역학 0법칙에 따르면 열적평형이라는 것은 각각의 물질이 가지고 있는 열에너지와 무관하게 온도가 같다면 열의 흐름을 발생시키지 않는다는 것입니다. 이러한 개념이 바탕이 되어야 열역학 1법칙의 에너지 보존법칙부터 엔탈피, 엔트로피라는 열역학성 특성을 보다 정확히 이해할 수 있습니다.
다음시간에는 열역학 1법칙에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다.
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