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공부와 인생

열역학 제1법칙 및 에너지 보존법칙

by richman8949 2023. 1. 22.
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열역학 제1법칙의 개념

열역학 제1법칙은 일반적으로 에너지 보존법칙으로 해석된다. 보존법칙이란 경계를 통하여 들어오는 전체 증가량이 경계 내의 전체 증가량과 같다는 것을 의미한다. 계의 경계를 통해 출입하는 중요한 물리량으로는 일과 열이 있다.

열은 질량이 없는 유체로 생각되어 오다가 Gay-Lussac과 Joule 등의 실험을 통하여 일과 대등한 에너지로서의 개념이 도입되었다. Joule의 실험 결과를 토대로 한 경험을 바탕으로 하여 정립된 열역학 제1법칙은 열의 개념을 분명하게 하고 이로부터 에너지 보존법칙을 설명하는 법칙이라고 할 수 있다.

 

Joule의 실험

Joule의 실험 장치와 같이 단열된 견고한 용기 내에 일정한 양의 물이 들어 있고, 질량 m의 추에 연결된 휘젓기 날개가 물속에 잠겨 있다. 추가 1의 위치에 있을 때 물의 온도는 T1, 압력은 일정한 대기압 P0이다. 추가 위치 2로 h만큼 내려와 날개를 회전시켜 물쪽으로 mgh의 일을 주면 압력은 일정한 P0이지만 온도는 T2로 변화한다. 즉, 용기와 물을 하나의 계로 생각할 때 계가 열역학적인 상태 T1, P0로부터 단열과정으로 일 Wa = mgh를 받아서 새로운 상태 T2, P0로 변화하였다고 할 수 있다. 이 실험을 반복하여 얻은 실험의 결과는 처음 1의 상태로부터 나중 2의 상태에 도달할 때 단열과정에서 소요된 일 Wa=mgh는 단열과정의 형태가 어떠하든 간에 항상 동일하다는 것이다.

위의 실험은 전동기를 이용하거나 축전지를 이용할 수도 있다. 즉, 전동기로써 휘젓기 날개를 회전시키거나, 축전지의 전기에너지로써 물속에 설치된 히터를 발열시켜 물에 에너지를 공급 할 수 있다. 이와 같은 여러 가지 실험에서의 결과도 동일한 두 상태 1과 2 사이에서 소요된 단열일 Wa는 항상 일정하며, 실험에서 소요된 일 Wa와 같다는 것이 실험적으로 알려져 있다.

Joule의 실험 결과두 상태 사이의 단열일이 항상 동일하다는 것을 알려주고 있으며, 일을 통해 열을 발생시킬 수 있다는 것을 보임으로써 열과 일은 서로 같은 에너지라느 것을 알려주고 있다. 즉, 열과 일은 에너지의 형태만 다를 뿐 상호 간에 전환이 가능하다. 

 

내부에너지

계(system)가 가지고 있는 모든 미시적 에너지의 합을 내부에너지(internal energy)라 한다. 내부에너지는 분자구조와 분자운동의 정도에 관계되며, 물체를 구성하고 있는 원자나 분자들의 운동에너지와 위치에너지의 합으로 볼 수 있다. 일반적으로 내부에너지는 U로 나타내고 단위 질량당 내부어너지는 비내부에너지(specific internal energy)라 부르며 u로 나타낸다. 열역학을 해석할 때 계의 에너지를 구성하는 거시적(macroscopic) 형태의 에너지미시적(microscopic) 형태의 에너지로 생각할 수 있는데, 거시적 형태의 에너지는 계의 운동에너지와 위치에너지와 같이 어떤 좌표계에 대하여 계가 전체적으로 가지고 있는 에너지이다. 미시적 형태의 에너지는 계의 분자구조 및 분자의 운동 정도와 관계되는 에너지이며 외부 좌표계와는 관계가 없다. 미시적 에너지의 총합을 내부에너지라 한다.

 

열역학 제1법칙

열역학 제1법칙은 열의 정의와 개념 및 에너지 함수의 존재를 분명하게 공식화하고 이로부터 에너지 보존법칙을 설명하는 법칙이다. 물체에 에너지를 주는 데에는 열을 가해 주거나 역학적으로 일을 해 주는 방법이 있다. 열도 에너지의 한 형태이므로 역학적 에너지 보존법칙을 확장하여 '열에너지를 포함하는 에너지 보존법칙'을 열역학 제1법칙이라 한다. 물체의 온도가 높아지면 내부에너지가 증가하고 부피가 팽창하면서 외부에 대해 일을 하게 된다.

외부로부터 에너지를 공급받지 않고 계속해서 일을 할 수 있는 기관 또는 장치를 제1종 영구기관이라 한다. 그런데 이와 같이 계의 내부에너지가 무한히 감소할 수는 없으므로 이 기관은 실제로는 만들 수 없다. 기관의 내부에너지가 무한히 감소할 수 있으려면 그 기관이 무한한 내부에너지를 가지고 있어야 하는데 그런 기관은 있을 수 없기 때문이다.

 

※ 일의 부호 : 열역학에서는 편의상 시스템이 외부에 일을 수행하였을 때의 일의 양(+), 외부로부터 일을 받았을 때의 일의 양을 음(-)의 값으로 나타낸다. 기체가 압축된다면 기체가 한 일은 음(-)이 된다. 즉, 기체는 외부로부터 일을 받아서 압축된다. 열역학 제1법칙을 적용할 때는 일의 부호에 주의해야 한다.

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