제12장 열역학의 법칙

제12장 열역학의 법칙

12.2 열역학 제1법칙

1. 열역학 제1법칙

계의 내부 에너지의 변화는 계로 전달되는 알짜 열과 계가 한 알짜      일에만 의존한다.

[eqn: DELTA U```=``Q```-``W]

[eqn: {dU} over {dt} ```=`` {dQ} over {dt} ``-` {dW} over {dt}]

12.3 열과정

1. 일과 체적 변화

기체가 담긴 실린더에 피스톤이 압력 P로 아      래로 누를 때 기체에 한일

[eqn: DELTA W```=`F` DELTA x``=`PA` DELTA x``=`P` DELTA V]

[eqn: W``=` int _{} ^{} {dW} ````=` int _{V _{1}} ^{V _{2}} {P``dV}]

2. 이상기체의 여러 과정

☞ 등온 과정

- 흡수한 열은 외부에 하는 일로 쓰임.

☞ 등적 과정

- 외부에 일을 하지 않으므로 흡수한 열은 내부 에너지 증가에 쓰임.

☞ 등압 과정

- 흡수한 열은 내부 에너지 증가와 기체가 하는 이로 쓰임.

☞ 단열 과정

- 외부에 일을 하거(단열 팽창)나 외부에서 일을 받은 것(단열압축)       만큼 내부 에너지가 감소하거나 증가하여 온도가 내려가거나 올라       감.

12.4 열역학 제2법칙

☞ 가역 현상

- 외부에 어떠한 변화도 남기지 않고 원래 상태로 되돌아 갈 수 있       는 현상.

☞ 비가역 현상

- 어느 한 방향으로의 변화는 스스로 일어나지만 그 역과정은 스스       로 일어나지 않는 현상, 자연에서 일어나는 모든 현상은 비가역으       로 알려져 있다.

열역학 제2법칙

1. 열기관

열 에너지를 받아서 순환 과정으로 작동하고 에너지의 일부를 일의 형태로 내보내는      장치. 이상적인 열기관(불가능), 실제 기관은 열의 일부만을 일로 변환하고 남은 열은      저온의 열원으로 전달.

☞ 열효율 - 열기관이 외부에 한 일                 과 흡수한 열에너지의 비

[eqn: e``=` {W} over {Q _{h}} ``=` {Q _{h} `-`Q _{c}} over {Q _{h}} ```=`1``-` {Q _{c}} over {Q _{h}}]

☞ 열역학 제2법칙(켈빈-플랑크 표현)

- 열원에서 열 에너지를 흡수하여 한 순환 과정 동안 작동하면서 그 에너지를 남김없이      모두 일로 바꾸는 열기관을 만드는 것은 불가능하다.

2. 카르노 기관

열효율이 최대인 이상적인(실제 기관이 아닌) 열기관, 가역 기관의 예.

☞ 카르노 기관의 열효율

[eqn: e _{carnot} ``=``1``-` {Q _{c}} over {Q _{h}}]     카르노 기관에서는 [eqn: ` {Q _{c}} over {Q _{h}} ```=` {T _{c}} over {T _{h}}] 이므로

[eqn: e _{carnot} ``=``1``-` {T _{c}} over {T _{h}}]

☞ 냉장고 및 제2법칙

클라우지우스의 표현

- 한 순환 과정 동안에 차가운 물체로부터 따뜻한 물체로 열을 전달하는 효과 이외에        는 다른 어떠한 효과도 나타내지 않도록 작동하는 냉장고를 만드는 것은 불가능하        다. 즉 열에너지는 차가운 물체에서 더운 물체로 자발적으로 이동하지 않는다.

☞ 열역학 제3법칙

- 어떤 계라도 절대온도 0까지 냉각시킬 수는 없다.

엔트로피

1. 엔트로피

- 계의 무질서도를 나타내는 척도

[eqn: DELTA S`````= int _{1} ^{2} {{dQ} over {T}}]

기체 분자의 확산에서 분자들이 모두 한쪽 칸에 모여 있는 상태(질서있는 상태)가 나타날 확률보다 양쪽 칸에 고르게 멋대로 흩어져 있는 상태(무질서한 상태)가 나타날 확률이 크다. 자연계에서 일어나는 모든 비가역 변화는 스스로 무질서한 상태로 변화가 진행된다. 어떤 계가 질서가 있으면 엔트로피가 작고 무질서한 상태이면 엔트로피가 크다.

2. 엔트로피와 열역학 제2법칙

열역학 제2법칙

- 닫힌 계의 엔트로피는 결코 감소할 수 없다.

- 우주의 엔트로피는 결코 감소할 수 없다.