본문내용
1. 열역학
1.1. 과정함수와 상태량
과정함수와 상태량은 열역학에서 매우 중요한 개념이다. 과정함수는 계의 상태변화에 따라 그 값이 변하는 특성을 가진다. 즉, 과정함수는 시스템의 상태만으로는 결정되지 않고 변화의 과정에 의해 결정되는 함수이다. 반면, 상태량은 계의 특정 시점에서 정의된 값을 갖는다.
과정함수의 대표적인 예로는 일(Work)과 열량(Heat)이 있다. 일과 열량은 계의 상태변화에 따라 그 값이 달라지므로 과정함수에 해당한다. 즉, 계가 상태 1에서 상태 2로 변화할 때 필요한 일과 열량은 그 변화 과정에 따라 달라진다. 반면, 내부에너지(Internal Energy), 엔탈피(Enthalpy), 엔트로피(Entropy) 등은 계의 상태만으로 결정되는 함수이므로 상태량에 해당한다.
상태량은 계의 크기와 질량에 따라 그 값이 결정되는데, 이를 종량성 상태량이라고 한다. 예를 들어 체적, 질량, 에너지 등이 종량성 상태량에 해당한다. 반면에 온도, 압력, 밀도 등은 계의 크기나 질량에 관계없이 일정한 값을 가지므로 강도성 상태량이라고 한다.
따라서 과정함수와 상태량의 가장 큰 차이는 계의 상태변화에 따른 값의 변화 여부에 있다. 과정함수는 상태변화에 따라 값이 달라지는 반면, 상태량은 계의 상태만으로 그 값이 결정된다고 할 수 있다.""
1.2. 일과 열량
일과 열량은 상태변화의 경로에 의존되며, 처음과 마지막의 상태만으로는 결정되지 않는다. 따라서, 일량과 열량의 미소량은 성질의 미소량과는 달라서 어떤 함수의 완전미분으로 나타낼 수는 없다. 과정함수는 편미분으로만 가능하다. 예를 들어, 일과 열은 과정함수이지만 엔탈피나 엔트로피와 같은 상태량은 과정함수가 아니다.
일과 열은 계의 경계에서 관찰되며, 전달된 일과 열의 합은 항상 일정하지는 않다. 이는 계가 복잡한 열역학적 변화를 겪기 때문이다. 일과 열은 상태량이 아닌 과정량이라 할 수 있다.
밀폐계의 경우, 일량은 PV선도에서 면적으로 표현되며, 일과 열의 관계는 내부에너지 변화와 일량의 합으로 나타낼 수 있다. 개방계에서는 정상유동의 에너지방정식을 통해 일량, 운동에너지 변화, 엔탈피 변화, 중력에 의한 위치에너지 변화 등을 고려할 수 있다.
완전가스의 상태변화에 따른 일과 열의 변화는 상태방정식과 비열 관계식을 활용하여 구할 수 있다. 각 상태변화 과정에서 열량과 일량, 내부에너지 및 엔탈피 변화를 계산할 수 있다.
이처럼 일과 열량은 열역학의 핵심 개념 중 하나로, 열역학 시스템의 상태변화를 이해하고 분석하는데 필수적이다. 단순한 개념처럼 보이지만 실제 열역학 문제를 해결하는 데에는 깊이 있는 이해가 필요하다.
1.3. 열역학 제 0법칙
열역학 제 0법칙은 열평형의 법칙이라고도 하며, 서로 다른 온도의 두 물체를 접촉시키면 온도가 높은 물체의 온도는 내려가고 온도가 낮은 물체의 온도는 올라가서 결국 두 물체의 온도차가 없어지게 된다는 것이다. 즉, 열은 자연스럽게 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동한다는 것이다. 이러한 열평형의 법칙은 온도 측정의 기본이 되는 법칙이며, 열을 이용하는 모든 기계 및 장치의 기본적인 작동 원리를 제공한다. 따라서 열역학 제 0법칙은 열역학 전반에 걸쳐 근본이 되는 중요한 원리라고 할 수 있다. 온도가 동일할 때 두 물체는 열평형 상태에 있다고 말할 수 있으며, 이러한 열평형 상태를 측정하는 것이 온도 측정의 기초가 된다.
1.4. 열역학 제 1법칙
열역학 제 1법칙은 열은 본질상 에너지의 일종이며, 열과 일은 서로 전환이 가능하고 또한 열과 일 사이에는 일정한 비례관계가 성립한다는 것을 말한다. 즉, 열과 일 사이의 에너지보존법칙을 적용한 법칙이다.
과정함수인 열과 일은 계의 경계에서 관찰되며, 그 합은 항상 일정하지 않다. 따라서 열과 일은 상태량이 아니라 과정량이다. 이에 반해 내부에너지 U, 엔탈피 H, 엔트로피 S 등은 상태량이다.
열역학 제 1법칙은 열과 일의 정량적인 관계를 규정한다. 즉, 계에 가해진 열량 Q는 계의 내부에너지 변화 ΔU와 계가 한 일 W의 합과 같다는 것을 의미한다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
Q = ΔU + W
여기서 W는 계가 외부에 대해 한 일이므로 W>0이면 계의 일이고, W<0이면 외부로부터 계가 받은 일이다.
열역학 제 1법칙은 에너지 보존의 법칙을 열역학적 관점에서 정식화한 것이다. 이 법칙에 따르면 에너지는 창조되거나 소멸될 수 없고, 오직 그 형태만 바뀔 수 있다. 즉, 열과 일 사이에는 일정한 상호 전환 관계가 있다는 것이다.
열역학 제 1법칙은 다음과 같은 특성을 가진다. 첫째, 모든 열역학 시스템에 적용되는 보편적인 법칙이다. 둘째, 에너지 보존의 법칙을 열역학적 관점에서 정식화한 것이다. 셋째, 열과 일의 상호 전환 관계를 규정한다. 넷째, 계의 상태 변화에 따른 에너지 변화를 정량적으로 표현한다.
이러한 열역학 제 1법칙은 여러 분야에 광범위하게 적용되어 중요한 역할을 하고 있다. 특히 열기관, 냉동기, 열펌프 등 열역학 시스템의 설계와 분석에 필수적인 이론적 기반을 제공한다.
1.5. 열역학 제 2법칙
열역학 제 2법칙은 열과 일이 자연스럽게 서로 전환될 수는 있지만, 열이 일로 완전히 전환되거나 열이 자연적으로 저절로 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것은 불가능하다는 법칙이다. 즉, 자발적으로 열이 일로 전환되는 것은 불가능하고, 열이 자연적으로 저절로 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것도 불가능하다는 것이다.
이를 통해 열효율이라는 개념이 도출된다. 열효율은 열기관에서 일로 전환되는 열량과 공급열량의 비율을 나타내는 것으로, 열효율은 항상 100%에 미달한다. 열효율은 열기관의 성능을 나타내는 척도로 이용되며, 이를 높이기 위해 열역학 제 2법칙을 적용하여 열기관의 설계와 운전을 개선할 수 있다.
열역학 제 2법칙에 따르면 이상적인 열기관인 카르노 사이클이 최대 열효율을 가지게 된다. 카르노 사이클은 2개의 가역등온변화와 2개의 가역단열변화로 이루어진 열기관 사이클로, 이 사이클의 열효율은 "1-TL/TH"로 나타난다. 여기서 TL은 저온열원의 절대온도, TH는 고온열원의 절대온도를 나타낸다. 이를 통해 열효율을 높이려면 고온열원의 온도를 높이고 저온열원의 온도를 낮추는 것이 중요함을 알 수 있다.
또한 열역학 제 2법칙은 비가역과정에 대해서도 적용되는데, 이를 통해 클라우지우스의 부등식이 도출된다. 클라우지우스의 부등식은 "∮(δQ/T) ≤ 0"로 표현되며, 가역사이클에서는 등호가 성립하고 비가역사이클에서는 부등호가 성립한다. 이를 통해 비가역과정에서는 열이 자연스럽게 높은 온도에서 낮은 온도로 흐르지만, 역으로 열이 낮은 온도에서 높은 온도로 흐르기 위해서는 일을 해야 함을 알 수 있다.
이러한 열역학 제 2법칙의 개념은 냉동기와 열펌프의 작동원리를 설명하는데 핵심적이다. 냉동기의 성적계수는 "Q_L/W_C"로 표현...
