에너지의 형태와 이들 상호간의 변환에 대해 아는 것은 매우 중요합니다. 특히 에너지 변환의 기본적인 원리인 열역학에 대해서 그 기본법칙과 실제로 사용되고 있는 열기관의 구조 및 기능을 이해할 수 있어야 합니다. 열역학의 기본에 대해서 알아봅시다.
열역학 선도
1. 온도, 압력, 열량
일반적으로 많이 사용되고 있는 온도의 단위로는 섭씨도 °C 와 화씨 °F가 있습니다. 이밖에도 열역학 이론을 근거로 한 절대온도 K가 있습니다.
압력의 단위로는 공업상 kg/m2, kg/cm2이 사용되는 데, 후자를 기압이라고 하고 at의 기호로 나타내고 있습니다. 압력측정용 계기는 보통 대기압을 기준으로 한 압력을 지시합니다. 이와 같이 측정점의 대기압을 영점눈금으로 해서 측정한 압력을 게이지 압력이라고 하고 kg/cm2g 또는 atg로 나타냅니다. 이에 대하여 완전진공을 기준으로 측정한 압력을 절대압이라고 하며, 절대압과 게이지압의 관계는 절대압 = 대기압+게이지압으로 합니다.
열량의 단위로는 일반적으로 kcal를 사용합니다. 1kcal는 순수한 물 1kg을 1°C 높이는 데 소요되는 열량입니다.
2. 열역학의 기본법칙
열역학 제0법칙
두 시스템이 각각 세 번째 시스템과 열 평형 상태에 있으면 서로 열 평형 상태에 있습니다.
두 시스템 사이에 순 열 흐름이 없으면 두 시스템은 열평형 상태에 있는 것으로 간주됩니다 .이는 온도가동일한 경우에 발생합니다(그렇지 않으면 열은 자연스럽게 높은 온도의 시스템에서 낮은 온도의 시스템으로 흐릅니다).온도가 무엇인지에 대한 기존 아이디어를 가지고 접근한다면 제0법칙은 분명한 진술처럼 들립니다.실제로 제0법칙은 온도의 양을 정의하는 데 도움이 됩니다.
열역학 제1법칙
에너지는 생성되거나 파괴될 수 없으며 단지 한 형태에서 다른 형태로 변형될 뿐입니다.
첫 번째 법칙은 에너지 보존에 관한 진술입니다.물리적, 화학적 변화는 에너지의 생성이나 파괴로 이어지지 않습니다.예를 들어, 반응의 에너지 변화에 관해 이야기할 때 일반적으로 관련된 화학물질의 엔탈피를 의미합니다.화학 반응은 양(흡열) 또는 음(발열)의 엔탈피 변화와 연관될 수 있지만, 에너지 변화는 각각 시스템 안팎으로 열 에너지가 유입되거나 주변 환경이 냉각되거나 따뜻해지는 방식으로 보상됩니다. .반응이 일정한 압력에서 수행되면 에너지가 보존되어야 하므로 엔탈피 변화와 열 교환이 정확하게 균형을 이룹니다(압력 변화가 있으면 기계적 작업도 고려해야 하지만 에너지 보존은 여전히 유지됩니다).
열역학 제2법칙
자발적인 과정에서 우주의 엔트로피는 증가합니다.
두 번째 법칙은 화학 반응을 포함한 어떤 과정이 자발적인지 결정하는 데 도움이 됩니다.이를 사용하기 위해서는엔트로피라는 용어에 대한 이해가 필요합니다 .이는 일반적으로 장애의 척도로 설명되지만 이는 오해의 소지가 있습니다.일반적으로 말해서, 입자 단위 수준에서 시스템을 살펴보면 특정 방식으로 존재하는 방식이 더 많을수록 시스템의 엔트로피가 더 높습니다.예를 들어, 가스의 분자는 자유롭게 움직일 수 있으므로 고체 격자의 입자보다 더 많은 배열이 가능합니다.
두 번째 법칙은 우주의 엔트로피(계 내부의 모든 것(시스템)과 외부의 모든 것(주변)을 고려함)에 관한 것입니다.보상을 위해 엔트로피가 더 크게 증가하는 프로세스를 결합함으로써 자발적이지 않은(음의 엔트로피 변화를 갖게 되는) 프로세스를 달성하는 것이 가능합니다.화학적 맥락에서 이에 대한 일반적인 예는 반응 시스템의 엔트로피 감소와 관련된 발열 반응입니다.시스템의 엔트로피 변화는 음수이지만, 주변으로의 열 방출은 그곳의 엔트로피 증가로 이어질 것이며 저온에서는 전체적으로 자발적인 반응에 충분할 것입니다.
열역학 제3법칙
절대 영도에서 완벽한 결정의 엔트로피는 정확히 0과 같습니다.
유한한 수의 단계를 거쳐 계의 엔트로피를 원하는 수준으로 줄이는 것은 불가능합니다.
세 번째 법칙은 엔트로피 척도의 0을 설정합니다.이는 또한 실제로 절대 영점을 달성할 수 없음을 알려줍니다.
3. 열과 일의 관계
물질이 갖는 전 에너지중 운동에너지와 위치에너지를 뺀 것을 내부에너지라고 합니다. 보통 정지하고 있는 물체에서의 운동에너지는 0입니다. 그리고 열적상태 변화 전후에 있어서의 위치에너지의 변화는 무시할 수 있으므로 열현상을 취급할 경우 주로 내부에너지에 대해서 알아보게 됩니다.
현열이랑 물질의 상을 변화시키지 않고 물질의 온도를 변화시키는 데 필요한 열 또는 에너지의 양으로 정의됩니다. 이는 상전이를 나타내지 않는 시스템으로 정의할 수 있습니다. 또한 물질과 주변 환경 사이의 에너지의 교환으로 설명됩니다. 일정한 온도를 갖는 시스템과 관련이 있습니다. 잠열이란 일정한 온도에서 상전이 동안 흡수되거나 방출되는 열의 양을 말합니다. 상전이를 보여주는 시스템이라고 정의할 수 있습니다. 이는 시스템 내부 에너지에서 발생하는 변화를 설명합니다.
*같이가치업의 생각* 에너지 공부를 하려면 열역학을 기본적으로 알아야 합니다. 열역학 법칙과 열과 일의 관계를 아는데서부터 에너지이론에 대한 출발을 할 수 있습니다.
