열역학의 정의

제1장 열역학적 정의와 단위

󰊱열역학의 정의와 목적

 열역학 ( 熱力學 ; thermodynamic )은 열과 일의 관계 및, 열과 일에 관계를 갖는 물질의 성질을 다루는 과학이라 정의 할 수 있다.

열에너지를 효율적으로 기계적 에너지로 변환하는 방법을 연구하는 학문으로써 열이 일로 변환되는 과정 및 이 과정이 반복되는 주기

즉, 사이클을 통해 열에너지를 효율 적으로 이용 할 수 있다.

열역학의 공부하는 궁극적인 목표는 열에너지를 기계적 에너지로 변화하는데 보다 효율적이고 경제적으로 변환하기 위함이다. 

1.1 열역학의 접근 방법

열역학은 다루는 방법에 있어 크게 두 가지 관점으로 나눌 수 있다. 미시적 관점에서는 해석하는 통계열역학 ( 統計熱力學 ; statistical thermodynamics )과 거시적 관점에서 해석하는 고전열역학( 古典熱力學 ; classical thermodynamics ) 또는 공업열역학( 工業熱力學 ; engineering thermodynamics )이 그것이다. 미시적 방법에서는 분자 하나 하나의 운동을 통계적인 방법으로 집합적으로 분석한다. 거시적 방법에서는 개별적인 분자들의 상호 작용보다는 전체에 걸쳐서 일어나는 평균 효과에 대해서만 관심을 가지고 해석한다. 우리들이 살아가는 데서 흔히 사용하는 기준 척도( 尺度 ; scale )도 거시적인 방법을 택하고 있다. 즉, 길이는 미터로 측정하고 시간은 초를 기준으로 한다. 이러한 측정치는 분자들의 거동에 대해 비교하여 보면 매우 큰 간격이다. 따라서 거시적이란 용어가 성립하며 우리가 어렸을 적부터 친숙히 사용해 온 이런 방법을 사용하여 열역학을 다루는 것이 편리하다. 온도에 대한 척도도 거시적인 효과의 하나이다. 그러나 어떤 현상을 설명하는 데에는 거시적 방법으로는 불충분한 경우도 있으므로 이럴 때에는 반드시 미시적 방법으로 해결하여야 한다는 것도 아울러 알아두어야 한다. 본 교재에서는 거시적 방법에 대해서만 다루기로 한다.

 

1. 2 열과 에너지

19C 초까지만 해도 사람들은 열이란 열소(熱素)라고 하는 작은 알갱이에 의하여 전달되는 것으로 생각하였다. 그래서 열소를 질량이 없는 유체로 생각하여 열의 이동이나 열의 혼합에 대한 설명으로 사용했다. 그러나 마찰로 인한 열의 발생은 설명할 수 없었다. 그러다가 주울( James Prescott Joule : 1818～1889 )이 비로써 열도 기계적인 일과 마찬가지로 일종의 에너지임을 밝혀냈다. 주울은 열과 일을 본질적으로 같은 에너지로 규정짓고 일과 열의 단위를 동등하게 변환시키는 발상의 대전환을 이룩하였다.

 

1.3 열역학의 용어

1) 동작물질

동작물질( 動作物質 ; working substance )이란 작업유체라고도 하며 에너지를 저장하거나 운반하는 물질이다. 예를 들면 자동차 엔 진에서는 연료와 공기의 혼합기, 증기 터빈에서는 증기, 냉동 사이클에서는 냉매가 곧 동작물질이다.

2) 계, 주위, 경계

동작물질은 절대로 혼자서 존재할 수 없다. 반드시 그 제한이 되는 구역이 있어야만 한다. 이것은 곧 계( 係 ; system )의 개념을 낳 게 한다. 열역학에서 계란 어떤 물질의 모임 또는 공간적으로 한정된 구획으로 정의된다. 계가 아닌 모든 것을 주위(周圍 ; surroundings )라 하며 계와 주위를 구분 짓는 한계를 경계( 境界 ; boundary )라 한다.

계에는 다음과 같이 밀폐계, 개방계, 고립계가 있다.

① 밀폐계 ( 密閉係 ; closed system )

계 내의 동작물질이 계의 경계를 통하여 주위로 이동할 수는 없으나 열이나 일등 에너지의 이동은 존재하는 계로서 비유동계( 非流動係 ; nonflow system )라고도 한다. 피스톤 - 실린더 내의 공간은 밀폐계의 예이다.

② 개방계 ( 開放係 ; open system )

동작물질이 계의 경계를 통하여 주위로 이동하고 열이나 일등 에너지의 이동이 있는 계이다. 유동계( 流動係 ; flow system )라고도 한다.- 펌프, 터빈

③ 고립계 ( 孤立係 ; isolated system )

계의 경계를 통해서 물질이나 에너지의 이동이 전혀 없는 계이다. 주위와 아무런 상호작용을 하지 않으며 절연계( 絶緣係 )라고도 한다.

 

1.4 상태량

상태량( 狀態量 ; property )이란 관측이 가능한 값으로서 물질의 상태(state)를 규정하는 량을 말한다. 상태량은 성질이라고도 하며 계의 상태만으로 정하여지는 것으로서 그 상태로 되는 데까지의 과정(process)이나 경로(path)에는 무관하다.

따라서 상태량은 점함수(point function)이다. 이와는 달리 열이나 일등의 에너지는 상태량이 아니며 과정이나 경로에 따라 값이 결정 되므로 경로함수 또는 도정함수(path function)라 한다.

① 강도성 상태량( 强度性 狀態量 ; intensive property )

물질이 가지는 질량의 크기에 관계없는 상태량으로 온도(T), 압력(P)등이 표적이다. - 나누어도 변화가 없는 상태량

② 종량성 상태량( 從良性 狀態量 ; extensive property )

물질의 질량에 따라서 값이 변하는 상태량이다. 체적(V), 내부에너지(U), 엔탈피(H), 엔트로피(S)등이 있다. - 나누면 변화가 있는 상태량

③ 비상태량( 比狀態量 ; specific property )

물질의 종량성 상태량을 질량으로 나눈 값이다. 즉, 단위 질량당의 종량성 상태량을 비상태량이라 한다. 비상태량은 물질의 량에 따라 결정되지 않는다는 점에서 강도성 상태량과 같이 취급할 수는 있으나 엄밀한 의미에서는 강도성 상태량이 아니며 단지 比를 나타내는 비상태량일 뿐이다.

1.5 평형상태

평형상태( 平衡狀態 ; equilibrium state )란 계의 상태가 시간적으로 불변이고 어떠한 유동상태도 일어나지 않을 때의 상태를 의미한다. 보통 밀폐계에서 평형상태가 되기 위하여서는 계와 주위의 강도성 상태량의 차이가 없어야 한다. 즉, 계와 주위의 온도가 같을 때에는 열평형( 熱平衡 ; thermal equilibrium )이 되었다고 하고, 힘 또는 압력이 같을 때에는 역학적 평형( 力學的 平衡 ; mechanical equilibrium )이 되었다고 한다. 또 화학적 조성이 같을 때에는 화학적 평형( 化學的 平衡 ; chemical equilibrium )이 되었다고 한다. 이 세 가지가 모두 만족되었을 때 우리는 열역학적 평형상태(thermodynamic equilibrium)라고 한다.

 

1.6 과정과 사이클

과정( 過程 ; process )이란 계의 상태가 변하는 것을 나타내는 말이다. 과정은 단지 계의 상태가 변화되었음을 말하는 것으로서 초기상태인 1에서 나중상태인 2로 변화되었음을 나타낸다. 그러나 경로( 經路 ; path )는 상태 1에서 상태 2로 진행하는 어느 특정한 과정을 의미한다. 따라서 한 상태에서 다른 상태로 가는 과정은 수많은 경로를 설정할 수 있다.

열역학에서 사이클( 循環 ; cycle )이라 함은 계가 어느 과정을 겪은 다음 다시 최초의 상태로 되돌아가기까지의 과정을 말한다. 사이클을 이루는 과정이 어느 경로를 택하느냐에 따라 사이클은 달라지게된다. 그림에서 보는바와 같이 1-A-2-B-1과 1-A-2-C-1은 다른 사이클임을 알 수 있다.