[열역학] 기본개념(열역학 0, 1, 2, 3법칙)

열이란?

온도차로 인해 고온물체에서 저온물체로 전달되는 에너지이다. 열은 눈에 보이지 않기 때문에 구체화 할 수 없는 추상적인 ＊물리량이지만, 일상생활의 경험을 통해 알 수 있다. (*물리량 : 길이, 무게 , 점성, 질량, 온도, 용량 등으로 설명되는 물체의 특성)

 

※ 열역학의 기초를 만드는 3가지 경험적 사실

1) 열역학 0법칙(열적 평형의 개념)

제 3의 물체와 열평형에 있는 두 물체는 그들 상호 간에도 열평형상태에 있다. 즉 A와 B의 온도가 같고 B와 C의 온도가 같으면 C와 A의 온도가 같다.

 

경험적 사실이 있죠. 춥고 따뜻함의 차이(정도)를 몸으로 체험한다. 온도 라는 상태량이 발생한다. 예를 들어 목욕탕에서 뜨거운 물에 들어갔을 때, 처음에는 물이 뜨겁다고 느끼지만 시간이 지날수록 뜨거운 정도가 점점 약해짐을 느낄 수 있습니다. 이는 물과 나의 몸이 열적 평형상태에 도달한다고 생각하시면 됩니다.

 

2) 열역학 1법칙 (에너지보존법칙 : 열과 일과의 관련성) 

열과 일을 포함하는 system의 에너지 보존법칙은 에너지양 취급이다. 경험적 사실은 일을 하면 열을 발생하고, 열을 가하면 일을 하는 것을 생활을 통해 체험 → 내부에너지(＊엔탈피) 라는 물리량 발생이다.

 

＊엔탈피 :열역학함수의 하나. 내부 에너지를 U, 압력을 p, 부피를 V라고 할 때, 엔탈피 H는 H=U+pV로 표시할 수 있다.

 

3) 열역학 2법칙(엔트로피=>“열이동의 방향성”)

① 열은 고온에서 저온으로 흐른다.

② 열에서 일로 100% 전환이 불가능하다.

 

운동에너지는 100% 열에너지로 바꿀 수 있지만 열에너지는 100% 운동에너지로 바꿀 수 없다는 것은 열이 높은 온도에서 낮은 온도로만 흘러간다는 것과 같은 내용이라는 것을 알게 되어 이것도 열역학 제2법칙에 포함되었다.

 

1865년 클라우지우스는 열역학 제2법칙을 포괄적으로 설명하기 위해 엔트로피라고 부르는 새로운 물리량을 제안했다. 클라우지우스가 제안한 엔트로피(S)는 열량(Q)을 온도(T)로 나눈 양(S= Q/T)이었다. 열량이란 물체가 가지고 있는 열에너지를 말한다.

 

따라서 열에너지를 제외한 다른 에너지의 엔트로피는 열량이 없으므로 0이다. 그리고 열에너지의 엔트로피는 온도에 따라 달라지는 양이 되었다. 높은 온도에 있던 열이 낮은 온도로 흘러가면 열량은 변하지 않더라도 분모에 있는 온도가 작아지므로 엔트로피는 증가한다.

 

엔트로피가 0인 운동에너지가 열에너지로 바뀌는 경우에는 없던 열량이 생겨나므로 엔트로피는 증가하게 된다. 따라서 열역학 제2법칙은 이제 엔트로피 증가의 법칙이라고 부를 수 있게 되었다.

 

4) 열역학 3법칙( 절대영도 상태에서 모든 물질의 상태규정)

물체에서 제거할 수 있는 모든 에너지를 제거한 온도 즉 분자운동이 정지된 상태의 온도이다. 완전한 결정인 물질들은 모두 절대온도 0도에서 엔트로피가 0이다.