Intro
열역학은 에너지를 사용해서 동력을 얻거나 동력을 사용해서 에너지를 발생시키는 동력기관 해석을 위해 시작된 학문으로 19세기 증기 기관의 운전을 설명하고 그 증기기관이 이루어 낼 수 있는 일의 한계를 밝히기 위한 목적으로 발생하였습니다. 증기기관에서 발생하는 열에너지를 정의하기 위해, 앞서 온도라는 물리적 특성을 정의하고, 열적평형에 있는 두 물질 간의 온도관계를 설명하였습니다. 이번 챕터에서는 열 에너지라는 물리적 특성을 열역학에서 어떻게 정의하고 있는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.
열역학 1법칙(the first law of thermodynamics)
열역학 1법칙은 에너지 보존 법칙입니다. 시스템을 구성하는 전체 에너지는 새로 만들어지거나 파괴되지 않고, 단지 그 형태만 바뀌므로, 규정한 시스템(System과 Surrounding) 내부 에너지의 총량은 항상 일정함을 나타낸다고 정의할 수 있습니다. 다시 말해, 일정량의 열을 사용하게 되면 사용한 열에너지는 사라진 것이 아니라, 다른 어떤 형태의 에너지로 변환되어 보존된다는 이론이 열역학 제1법칙입니다.
열역학적 전 에너지란 위 슬라이드에서 나타낸 것과 같이 모든 에너지의 합으로 미시적 에너지와 거시적 에너지로 구분할 수 있습니다.
- 미시적 에너지 : 분자 구조 및 분자의 운동과 관련된 에너지로 그 절댓값을 측정하는 것이 어렵다. 따라서, 많은 실험을 통해 통계적 평균값을 이용해 각 분자가 지니는 내부에너지를 정의하였으며, 이는 특정 온도, 압력 등 세기조건에서 정해진 내부에너지양을 가진다.
- 거시적 에너지 : 외부 효과와 관련된 에너지로 운동, 위치, 전자기 에너지 등이 시스템 내에서 상호 전환되지만 사라지거나 만들어지지 않고 열역학 1법칙에 따라 보존된다.
그렇다면 열역학에서 다루는 시스템의 주요 에너지원에는 어떤 것들이 있을까요?
위와 같이 내부에너지, 운동에너지, 포텐셜 에너지입니다. 운동에너지와 위치에너지는 기존 물리학에서 다뤄온 개념이며, 내부에너지(U)부터 열역학의 개념이 출발한다고 생각하면 됩니다. 닫힌 계 내에서 에너지는 보존되므로 시스템 경계를 통해 주변(Surrounding)으로만 전달될 수 있습니다. 이때, 에너지 전달은 항상 열(Q)과 일(W)의 형태로만 전달되며, 시스템은 이렇게 들어온 열과 일 에너지를 다른 에너지 형태로 저장할 수 있지만, 열과 일을 갖지는 않습니다. 즉, 열과 일은 정해진 세기상태가 아니라 에너지를 전달하는 과정에서 시스템 경계를 통해 발생되는 경로함수가 됩니다.
열과 일은 에너지 전달 시 시스템의 경계에서만 확인된다.
시스템은 에너지를 가질 수 있으나, 열이나 일을 갖지 못한다.
열과 일은 상태가 아니라 시스템경계를 통해 발생되는 경로함수이다.
공정 시스템 내 운동, 위치에너지는 무시할 만한 값으로 가정하고, 에너지 보존법칙은 시스템과 주변에서 전달되는 에너지 총량이 변하지 않음을 의미하므로 다음 슬라이드와 같이 수식을 정리할 수 있습니다.
결국, 내부에너지는 열과 일의 합으로 표현되며, 일은 일정압력(대기압) 하에서 내부 부피변화에 의해 발생하는 에너지(W=-PdV)로 나타낼 수 있다. 즉 내부에서의 에너지 변화는 본래 에너지 보존 법칙에 의해 변화되지 않으나, 시스템 경계를 통해 전달된 열과 일에 의해 내부에너지 변화량이 발생합니다.
위 슬라이드에서 보이는 피스톤을 대기압 상태가 아니라, 피스톤의 움직임을 걸쇠로 고정했다고 가정해 보겠습니다. 이를 통해 여러분이 익숙하게 들어본 "정적상태" 즉, 시스템 부피가 일정한 조건을 임의로 만들 수가 있습니다. 이 경우, 부피 변화에 의해 발생하는 일(dV=0, W=-PdV=0)이 사라지게 되므로, 경계에서 전달되는 에너지는 오로지 열만 존재하는 조건이 될 수 있습니다. 이렇게 되면, 아래와 같이 일정부피 공정에서 전달되는 열은 모두 내부에너지로 저장됨을 알 수 있으므로, Intro에서 소개한 어떤 증기기관이 낼 수 있는 내부 에너지는 우리가 공급한 열에너지로부터 그 양을 계산할 수식으로 아래와 같이 나타낼 수 있습니다.
예시
주전자를 끓이는 상황은 외부에서 주전자 계 내부로 계속하여 열에너지를 공급한다고 볼 수 있습니다. 물은 100도까지 끓어오르면 열 에너지를 소비하고 물은 증기 상태로 해당 에너지를 저장합니다. 이후에도 계속하여 열 에너지가 공급되면 어떻게 될까요? 내부에너지가 증가하면서 불안정한 주전자는 안정을 찾기 위해 강한 증기 힘을 가지고 외부에 일을 하게 됩니다. 이때 일은 외부 대기압으로 닫혀있는 주전자의 뚜껑을 밀어내는 일로 에너지를 소모하거나, 증기 자체를 배출하면서 열에너지를 계 바깥으로 전달하게 되는 것입니다.
열역학 1법칙은 에너지는 형태만 변화하게 될 뿐, 그 양은 일정함을 확인하였습니다. 다음 시간에는 이러한 에너지 양이 변하지 않고 계속 보존된다면, 양이 줄지 않는 무한대의 에너지를 사용할 수 있지 않을까? 하는 의문을 해결할 수 있는 열역학 2법칙에 대해서 다뤄보도록 하겠습니다.
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