열역학 4가지 법칙 기본 정의 & 엔트로피

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열역학의 기본개념과 열역학 법칙 정의

 

열역학은 시스템(계)의 열 흐름 및 온도 변화의 개념과 열 그리고 기타 형태의 에너지의 상호 변환을 다루는 물리학의 한 분야입니다. 열역학 법칙은 열역학 시스템이 어떤 상태 변화를 겪을 때 적용되는 기본 규칙으로 열역학적 평형에서 열역학 시스템의 상태를 특징짓는 온도, 에너지, 엔트로피와 같은 기본 특성 간의 관계를 정의합니다.

 

즉, 열역학의 4가지 법칙은 이러한 양의 거동과 역학을 이해하기 위해 제안된 것으로 열에너지가 어떻게 다른 형태의 에너지로 변환되는지 그리고 이 과정에서 물질에 어떠한 영향을 미치는지를 설명합니다. 참고로 열은 물질 내에서 작은 입자의 움직임에 의해 생성되며, 이러한 입자가 빠르게 움직일수록 더 많은 열이 발생합니다.

시스템(계) : 관찰 중인 우주의 특정 부분을 시스템이라고 하며, 시스템의 유형에는 고립계, 닫힌계, 열린계가 있습니다.

1. 고립계(Isolated System) : 에너지와 질량을 주변 환경과 교환할 수 없는 시스템으로, 보통 우주를 고립계로 생각합니다.
2. 닫힌계(Closed System) : 시스템의 경계를 넘어 에너지의 전달이 가능해 내부 에너지의 양이 변할 수 있습니다.

3. 열린계(Open System) : 질량과 에너지 모두 주변에 전달될 수 있는 시스템으로 증기 터빈이 열린계의 한 예입니다.

※ 주변 환경 : 시스템의 일부가 아닌 우주의 나머지 부분을 주변이라고 합니다.

 

 

엔탈피와 엔트로피

 

엔탈피(Enthalpy)는 열역학에서 사용되는 개념으로, 시스템이나 반응의 열에너지 변화를 나타내는 물리적인 양입니다. 엔탈피는 일반적으로 H로 표기되며, 내부에너지(U)와 압력(P) 그리고 부피(V)를 이용하여 다음과 같이 정의됩니다.

 

H = U + PV

 

여기서 U는 시스템의 내부에너지, P는 압력, V는 부피를 나타냅니다. 엔탈피는 열과 일의 형태로 시스템과 주변 사이에서 교환되는 전체 에너지를 의미합니다.

 

화학반응에서의 엔탈피 변화는 반응물과 생성물 간의 에너지 차이를 나타내는 데 사용됩니다. 반응이 엔탈피 변화를 통해 열을 흡수하는 경우, 반응은 흡열 반응으로 분류되며, 열을 방출하는 경우에는 발열 반응으로 분류됩니다.

 

엔탈피는 열역학적 계산과 열화학적 반응에 중요한 역할을 합니다. 엔탈피 변화를 계산하고 이해함으로써 화학반응의 열적 특성과 에너지 변화를 이해할 수 있습니다.

 

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엔트로피(Entropy) 역시 열역학의 개념으로, 시스템의 혼잡도 또는 무질서도를 나타내는 물리적인 양입니다. 엔트로피는 주어진 시스템의 상태가 얼마나 확률적으로 가능한 상태들의 집합에 속하는지를 측정하는 척도로 사용됩니다. 열역학 제2법칙에 따르면, 닫힌 시스템에서 엔트로피는 일반적으로 증가합니다. 이는 에너지가 열 전달이나 화학반응 등을 통해 시스템과 주변 사이에서 자유롭게 이동할 수 있는 상태로 변할 때 발생합니다. 엔트로피 변화는 열의 흐름 방향과 반응의 방향성을 결정하는 데 사용됩니다.

 

예를 들어 입자가 자유롭게 움직일 수 있는 기체가 상대적으로 그렇지 못한 고체에 비해 엔트로피가 높습니다. 이러한 엔트로피의 변화를 통해 시스템의 안전성, 반응의 가능성, 열 엔진의 효율 등을 이해할 수 있습니다.

 

 

열역학 법칙

 

열역학에서 열의 흐름과 역학을 이해하기 위해 제안된 4가지 법칙

 

열역학 0법칙

열역학 제0법칙은 두 물체가 별도의 세 번째 물체와 개별적으로 평형을 이루고 있으면 처음 두 물체도 서로 열평형 상태에 있다는 것입니다. 즉 시스템 A가 시스템 C와 열평형 상태에 있고 시스템 B도 시스템 C와 평형 상태에 있으면 시스템 A와 B도 열평형 상태에 있음을 의미합니다.

 

열역학 0법칙은 간단히 말해서 '열평형 상태에 있는 시스템은 동일한 온도로 존재한다.'라고 할 수 있습니다.

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열역학 1법칙

에너지 보존 법칙이라고도 알려진 열역학 제1법칙은 에너지는 생성되거나 소멸될 수 없지만 다른 위치로 이동하고, 다른 형태의 에너지로 변환될 수 있음을 의미합니다. 따라서 닫힌계에서 에너지의 총량은 항상 일정합니다.

 

에너지를 소비하지 않고 기계적 작업을 지속적으로 수행할 수 있는 영구 운동 기계를 구성하는 것은 불가능합니다. 이러한 가상의 기계는 열역학 제1법칙을 위반하며 실제로 존재하지 않습니다.

 

열역학 2법칙

엔트로피 증가의 법칙이라고도 하는 열역학 제2법칙은 고립계의 엔트로피는 항상 증가한다는 것입니다. 모든 고립된 시스템은 시스템의 최대 엔트로피 상태인 열평형을 향해 자발적으로 증가합니다. 즉, 우주의 엔트로피는 증가할 뿐 절대 감소하지 않습니다. 예를 들어 얼음이 녹는 경우 냉동실에 다시 보관하지 않는 한 열은 항상 얼음에서 주변의 뜨거운 대기로 흐릅니다. 따라서 엔트로피는 자연적 과정에 대해 항상 증가합니다.

 

자발적으로 발생하는 모든 과정은 항상 우주의 엔트로피를 증가시킨다고 말합니다. 하지만 시스템이 열역학적 평형 상태에 있거나 가역적 과정을 거치는 일부의 경우는 시스템과 그 주변의 총엔트로피는 일정하게 유지될 수 있습니다.

 

열역학 3법칙

열역학 제3법칙은 온도가 절대 영도에 접근함에 따라 시스템의 엔트로피가 일정한 값에 접근한다는 것입니다. 절대 영도에서 완전한 결정질 물질의 엔트로피는 0입니다.

 

 

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결론

위의 내용을 보면 열역학 법칙이 이해하기 쉽고 아주 단순한 것처럼 보여질 수 있으나, 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 광범위하고 다양하게 적용할 수 있습니다. 온도계로 온도를 측정하는 것에서부터 연료를 이용한 자동차의 운동 등 열역학 법칙은 우리 주변 어디에서든 관찰할 수 있습니다.

 

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