열역학의 기본개념 및 열역학 제0법칙

열역학의 기본 개념

1. 열역학의 범위
'열역학(thermodynamics)은 열과 일 및 물질의 상태량을 다루는 과학, 또는 에너지와 엔트로피의 과학' 등으로 정의한다. 물질의 상태 변화 그 자체가 주된 관심사가 되기도 하지만, 공업 열역학에서는 상태 변화에 따른 물질의 성질을 연구하여 에너지, 일 및 열 사이의 관계를 주로 다룬다. 열역학적 상태를 기술하는 상태량(property)에는 압력(pressure), 부피(volume), 온도(temperature) 등의 여러 가지가 있다. 열역학은 에너지를 다루는 과학으로 동력 발생, 냉동, 물질의 상태량 사이의 관계 등을 포함한 모든 형태의 에너지와 에너지 변환을 포함하는 학문이다.

2. 열역학적인 계
열역학적인 계(thermodynamic system)는 검사하기 위해 선택한 물질의 양이나 공간 내의 영역으로 정의한다. 계의 밖에 있는 질량이나 영역을 주위(surrounding)라 하며, 계와 계의 주위를 분리하는 실제 표면 또는 가상적인 표면을 경계(boundary)라 한다.
※ 계의 종류
1) 밀폐계(closed system) : 검사질량이 일정한 계로서 비유동계(non-flow system)라고도 한다.
2) 개방계(open system) : 검사체적이 일정한 계로서 유동계(flow system)라고도 한다.
3) 고립계(isolated system) : 밀폐계 중에서 주위로부터 완전히 고립되어 있어서 주위에 의해 아무런 영향을 받지 않는 시스템을 고립계라 한다.
4) 단열계(adiabatic system) : 계의 경계를 통한 외부와의 열전달이 없는 완전히 단열된 이상적인 계를 말한다.

3. 계의 상태와 상태량
계에서 측정 가능한 모든 물리적 성질이 특정한 값을 가질 때 그 계는 어떤 상태에 있다고 하고, 이러한 계의 특성을 나타내는 것들을 상태량(property) 또는 성질이라 한다.
※ 열역학적 상태량의 형태
1) 강성적 상태량(intensive property) : 계의 크기와 무관한 상태량
2) 종량적 상태량(extensive property) : 계의 크기 또는 범위에 따라 값이 변하는 상태량

4. 과정
계가 한 상태로부터 다른 상태로 변화할 때 각 상태의 연속된 경로를 과정(process)이라고 한다.
※ 열역학에서 많이 취급하는 4가지 과정
1) 등온과정(isothermal process) : 온도가 일정한 과정
2) 등압과정 또는 정압과정(isobaric process) : 압력이 일정한 과정
3) 등적과정 또는 정적과정(isochoric process) : 부피가 일정한 과정
4) 단열과정(adiabatic process) : 계의 경계를 통한 열출입이 없는 과정

5. 사이클
계가 여러 가지의 상태 변화나 과정을 거쳐서 처음 상태로 되돌아올 때 그 계는 한 사이클(cycle)을 거쳤다고 한다. 따라서 사이클이 완료되면 최종 상태의 모든 상태량은 처음 상태의 상태량과 같게 된다.

6. 열역학적 평형
계가 주위로부터 고립되어 경계를 통하여 열이나 일의 출입이 없고, 시간이 경과하여도 계에 아무런 변화가 일어나지 않을 때 계는 열역학적 평형상태(thermodynamic equilibrium state)에 있다고 한다. 이때 계에서 압력, 온도와 같은 성질들은 모두 균일하여야 한다. 즉, 열적(thermal) 평형, 화학적(chemical), 평형, 기계적(mechanical) 평형 등이 모두 성립되었을 때 계는 열역학적 평형을 이루었다고 한다.

 

열역학 제0법칙

7. 열역학 제0법칙
열역학 제0법칙은 온도가 서로 다른 두 물체를 오랜 시간 접촉시켜 놓으면 온도가 높은 물체에 있는 열이 온도가 낮은 물체로 이동하여 마침내 두 물체의 온도가 같아지는데 이와 같은 상태를 열평형 상태라고 한다. 이것을 열역학 제0법칙이라 하는데 이 법칙은 온도 측정의 기본법칙이 된다. 물체와 온도계의 온도가 같다는 것이 성립할 때 온도계에서 읽은 온도를 그 물체의 온도라 할 수 있는데 열역학 제0법칙(열평형 상태)을 이용하여 온도의 의미를 정의할 수 있다.

8. 섭씨온도, 화씨온도
표준 대기압 1 atm에서 순수한 물의 어는점을 0℃, 끊는점을 100℃로 한 온도를 섭씨(Celsius) 온도라 하고, 어는점을 32℉, 끊는점을 212℉로 한 온도를 화씨(Fahrenheit) 온도라 한다. 국제단위계(SI)에서 사용되는 온도 눈금은 섭씨온도이고, 영국단위계에서의 온도 눈금은 화씨온도이다. 섭씨온도는 어는점과 끊는점 사이를 100 등분하고, 화씨온도는 어는점과 끊는점 사이를 180등분 한다.

9. 절대온도
1954년 제10차 국제도량형회의에서 물의 고체, 액체, 기체 상의 평형 상태로 존재하는 삼중점(triple point)의 온도를 273.16K, 0.01℃로 정하였다. 섭씨온도 -273.15℃는 기체의 분자운동이 정지하는 열역학적 최저온도이며, 이것을 0K(캘빈온도)라 하고 절대온도라고 한다. 절대온도는 열역학적 온도(thermodynamic temperature)라고도 하고 표준온도라고도 한다. 절대온도 T와 섭씨온도 c의 관계는 T = c + 273.15 이며, 절대영도는 -273.15℃이고, 자연에서 존재할 수 있는 가장 낮은 온도이다.

10. 열과 열량
물질의 온도와 상태 변화의 원인이 되는 에너지를 열이라 하고 열량의 단위에는 kcal, J 등이 있다. 여기서 1kcal는 14.5℃의 순수한 물 1kg을 온도 1℃ 높이는데 필요한 열량이다.(여기서도 온도가 서로 다른 두 물체를 접촉시켜 놓으면 열은 높은 온도의 물체로부터 낮은 온도의 물체로 이동하게 된다. 이 같이 이동한 열의 양을 열량이라 한다. 즉 열역학 제0법칙인 열평형 상태가 되는 시점에서의 이동한 열을 양이 열량이 되는 셈이다.)

11. 비열
어떤 물질 1kg을 온도 1℃ 높이는 데 필요한 열량을 그 물질의 비열이라 하고 단위에는 J/kg·K, kcal/kg·℃ 등을 사용한다.
물의 비열은 1 cal/g·℃ ≈ 4200J/kg·K이다.