헷갈리는 열 개념 제대로 공부하기 (1) | 열전도도 열역학

이번 포스팅에선 열의 개념에 대해 다루어 보고자 합니다.
열의 기본적인 개념부터 정적인 상황을 다루는 열역학, 동적인 상황을 다루는 열전도, 마지막으로 실질적인 열적 측정방식에 대해 다루어 보고자 합니다.

 

• 열역학 개념잡기
• 열전도 개념잡기

---

 

열(Heat)이란 물체의 온도를 변화시키는 에너지입니다.

이러한 열은 단순히 에너지의 형태가 아닌 에너지의 전달 형태라고 이해하는 것이 더 적합합니다.

이러한 열의 이동 방법에는 열전도, 열대류, 열복사의 3가지가 있습니다.

 

가장 기본이 되는 열역학에서는 두 평형 상태 사이의 에너지 변화량을 다루고 있습니다.

이는 힘의 평형, 화학적 평형, 열적 평형을 모두 포함하며 정적인 상황을 다룬다고 이해해 주시면 좋을 것 같습니다.

 

 

열역학 제 0법칙(열평형의 법칙)
: 어떤 계의 물체 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A 와 C가 열적 평형상태에 있다.

A=B, B=C 이면 A=C이다

 

열역학 제 1법칙(에너지 보존 법칙)
: 닫힌계에서 에너지는 보존된다.

 

계(system) 구성 요소들을 체계적으로 통일한 조직을 의미하며 3가지로 나뉘며 아래와 같습니다.
열린계 : 물질(질량)과 에너지 모두 주위과 교환이 가능한 계
닫힌계 : 에너지만 주위와 교환이 가능한 계

고립계 : 물질과 에너지 모두 주위와 교환이 불가능한 계

 

열역학 제 2법칙(엔트로피 법칙)
: 고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다.

 

여기서 엔트로피란  열역학적 계의 유용하지 않은 (일로 변환할 수 없는) 에너지의 흐름을 설명할 때 이용되는 상태 함수로 명명되지만 일반적으로 무질서의 척도로 설명되기도 합니다. 하지만 무질서도라는 표현은 지양되는 양상을 보이고 있으며, 이는 균질도와 어느 정도 대응되기 때문입니다.

열역학 제 2법칙에서 의미하는 바는 엔트로피의 증가량은 항상 0보다 크거나 같다.
즉, 우주 전체의 에너지는 일정하게 유지되거나 서서히 증가하며, 감소하는 변화 현상은 일어날 수 없다는 것을 의미랍니다.

 

열역학 제 3법칙(네른스트-플랑크 정리)
: 엔트로피는 절대영도에 가까워질수록 변화량이 0에 수렴하며, 엔트로피 자체도 절대영도에서 완전한 결정상태의 엔트로피는 0 J/K0J/K이다. 다만 자연현상에선 절대영도는 현실적으로 불가능하고 0K으로 수렴할 뿐이다.

 

열역학 제 3법칙은 제 2법칙과 연관되어 설명할 수 있습니다. 여기서 주는 정보는 온도에 따른 엔트로피의 변화이기 때문이죠. 앞서 말씀드린 바와 같이 엔트로피는 점차 커지는 방향을 지향합니다. 이는 '온도란 무엇일까?'라는 질문에 해답이 될 수도 있습니다. 온도라는 것은 엔트로피와 내부에너지의 변화율로 보는 관점이 열역학에서 가장 핵심적인 부분이기 때문이죠.

 

열역학 제 4법칙(온사게르 상반정리)
: 고온에서 저온으로 열이 흐르듯, 고압에서 저압으로 밀도가 흐르는데, 반대로 압력이 똑같을 때 온도 차이로 인해 밀도가 흐르고, 온도가 똑같을 때 압력 차이로 인해 열이 흐르는 것이 관찰되며, 압력 차이당 열흐름량과 온도 차이당 밀도흐름량이 동일하다.

 

온사계르 상반정리는 열이나 전자 등 다양한 물리적 양의 상호적인 흐름에 관한 내용으로 전자의 흐름으로 많이 설명됩니다. 이는 사실 화학공학 전공책에서는 비교적 언급이 적은 부분이죠. 

 

 

헷갈리는 열 개념 제대로 공부하기 (2) | 열전도도 측정

헷갈리는 열 개념 제대로 공부하기 (2) | 열전도도 측정