공대에서 열역학을 배우면 가장 먼저 배우는 것이 열역학 법칙이다. 열역학 법칙은 0,1,2,3 법칙 이렇게 총 4가지가 있다. 이 4가지 법칙은 '열역학적 과정', '열역학적 계를 설명하는 온도, 열량, 일, 엔트로피 등과 같은 양'들을 설명하는 법칙이다. 열역학 법칙은 0,1,2,3법칙있는데 그 내용은 다음과 같다.
열역학 법칙 4가지
열역학 제 0법칙
열역학계 A와 B의 온도가 동일하고, B와 C의 온도가 동일하면, A와 C의 온도는 동일하다.
열역학 제 1법칙
에너지는 여러 형태로 존재하지만 에너지의 총량은 일정하다. 열, 일은 생성되거나 소멸되지 않고 서로 전환만 된다.
열역학 제 2법칙
자발적 변화는 비가역 변화이며 엔트로피(=무질서도)는 증가하는 방향으로 진행된다. 열을 완전히 일로 전환시킬 수 있는 공정은 없다.
열역학 제 3법칙
T = 0K에서 완전한 결정 상태를 유지하는 경우 엔트로피는 0이다.
0법칙은 열역학 문제를 푸는데 거의 쓰이지 않고 넘어간다. 온도의 정의와 관련된 법칙같은데 공학을 하는 입장에서는 거의 쓰지 않기 때문에 넘어가는게 좋을 것 같다. 전공공부를 할 때에도 거의 비중있게 다루지 않는다. (순전히 학생의 입장인 제가 봤을때 그렇다는 겁니다.. 오해하지 말아주세요.)
열역학 제 1법칙
열역학 제 1법칙은 위에서 말했듯이 '에너지는 여러 형태로 존재하지만 에너지의 총량은 일정하다. 열, 일은 생성되거나 소멸되지 않고 서로 전환만 된다.' 라는 법칙이다.
계 (System)
여기서 에너지의 총량이 일정하다는 것은 '고립계'일B때 적용이 된다. 열역학에서 계는 크게 열린계, 닫힌계, 고립계가 있는데 각 계의 특징은 다음과 같다.
고립계(Isolated System): 계와 외계 사이에 상호 작용이 일어나지 않는 계(에너지 교환O, 물질 교환X)
닫힌계(Closed System): 계와 외계 사이에 물질 이동이 불가능한 계(에너지 교환O), 물질 교환X)
열린계(Open System): 계와 외계 사이에 물질과 에너지의 이동이 가능한 계(에너지 교환O, 물질 교환O)
고립계에서는 외부와의 에너지 교환, 물질교환이 모두 일어나지 않기 때문에 열역학 제 1법칙이 계 안에서 성립할 수 있다.
하지만 닫힌계와 열린계에서는 에너지교환 또는 물질교환이 일어나기 때문에 계와 외계의 에너지 총합이 일정하다.
우리의 우주는 고립계이기 때문에(왜 그런지는 잘 모릅니다..ㅠ) 고립계 안에서는 에너지 보존의 법칙이 성립하게 되고 에너지는 총량은 변함이 없는 상태에서 그 형태만 바뀌게 된다.
그렇다면 열역학 제 1법칙을 다음과 같이 쓸 수 있다.
열역학 제 1법칙 식 유도
에너지의 총량이 일정하기 때문에 계와 주위의 합은 전체 우주가 되고 우주는 고립계이기 때문에 열역학 제 1법칙이 성립한다. 그렇기 때문에 계의 에너지 변화량과 주위의 에너지 변화량의 합은 0 이 된다.
여기서 계의 에너지 변화는 '내부에너지 + 계의 운동에너지 + 계의 위치에너지' 이기 때문에
로 계의 에너지 변화량을 표현할 수 있다.
주위의 에너지 변화는 '계로 전달되는 열 + 계로 전달되는 일' 로 표현할 수 있다. 여기서 계로 들어가는 열이나 일을 '+'부호로 사용하느냐 아니면 계에서 나오는 열이나 일을 '+'로 사용하느냐에 따라 책마다 부호가 다른 것으로 알고 있다. 여기서는 주위에서 계로 가해주는 열이나 일을 '+'부호로 사용하도록 하겠다.
그렇다면 주위의 에너지 변화는
로 나타낼 수 있다. 주위에서 계로 열이나 일의 형태로 에너지가 빠져나갔기 때문에 앞에 '-'부호가 붙어있다. 부호는 열역학을 처음 배울 때 살짝 헷갈리지만 식에서 열이나 일이 어느방향으로 이동했느냐를 생각해보면 금방 이해할 수 있다.
그렇다면 처음 열역학 제 1법칙의 개념에서 나온 식에서 계의 에너지와 주위의 에너지의 표현을 넣어주면
와 같은 식을 얻을 수 있다. 화학공학과에서는 이 식에서 '계의 운동에너지'와 '계의 위치에너지'가 일정하다고 할 때의 식인
를 많이 쓰게된다.
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