1. 열역학의 기본 개념 上

 

 

1.1. 열역학이란?

  1. 열과 일에 관련된 현상의 상호 관계를 알아내는 학문
  2. 에너지에 관련한 물질의 특성과 상관 관계를 알아내는 학문

  예를 들면 주사기 끝을 막고 피스톤을 눌러 압축하면 주사기 내부는 열이 발생하고, 풍선을 따뜻한 물에 담그면 부피가 팽창할 것입니다. 이러한 현상의 상호 관계를 파악하는 분야가 열역학입니다.

 

사견)

 저는 열역학을 "일과 열의 출입으로인해 생기는 물리량 변화를 계산하는 과목"정도로 생각하며 공부했습니다. 

 

1.2. 기본 용어 정리

 1.2.1. 계, 주위, 경계

  1. 계 (System)

• 열역학적 문제의 대상이 되는 가상의 물질 집합을 의미합니다.
• 본문 1.1.의 예시에서 주사기 내부와 풍선 내부를 "계"로 설정할 수 있습니다.

  2. 주위 (Surrounding)

• 계를 포함하지 않는 나머지 모든 물질을 의미합니다.
• 본문 1.1.의 예시에서 주사기 바깥 부분과 풍선 바깥을 "주위"로 간주할 수 있습니다.

  3. 경계 (Boundary)

• 계와 주위는 경계를 통해 구분됩니다. 경계를 통해 열과 일이 출입할 수도 있으며, 물질의 출입 또한 이루어 질 수 있습니다.
• 본문 1.1.의 예시에서 주사기와 풍선을 "경계"로 생각할 수 있습니다

 1.2.2. 개방계, 밀폐계, 고립계

 위 3가지 계는 아래의 두 가지 요소로 구분됩니다.

  1. 물질의 출입 여부
  2. 열이나 일의 출입 여부

1. 개방계(Open System)

• 경계를 통해 물질/일과 열 모두가 출입이 가능한 계입니다.
• 예를 들면 생수통 내부가 있습니다. 물(물질)을 채워넣거나 뺄 수 있고, 열을 가해 온도를 변화 시킬 수 있으며 일을 가할 수 있습니다.

2. 밀폐계(Closed System)

• 경계를 통해 물질 출입은 불가능하지만 일과 열은 출입이 가능한 계입니다.
• 생수통을 뚜껑으로 닫는다면 생수통 내부는 밀폐계가 됩니다. 열과 일을 가할 수는 있지만 물질의 출입이 불가능해지기 때문입니다.

3. 고립계(Isolated System)

• 경계를 통해 물질/일과 열 모두 출입이 불가능한 계입니다.
• 예를 들면 우주 전체를 고립계로 생각할 수 있습니다.

표로 정리하면 다음과 같습니다.

	개방계	밀폐계	고립계
물질 출입	O	X	X
일/열 출입	O	O	X

[표 1]  물질/일/열 출입에 따른 개방계/밀폐계/고립계의 구분

 

1.2.3. 종량적 성질, 강성적 성질

 어떤 상태를 규정하는데 사용될 수 있는 물리량을 열역학적 성질이라고 합니다. 열역학적 성질은 종량적/강성적 성질로 구분됩니다.

 

1. 종량적(Extensive) 성질

• 질량에 비례하여 값이 변하는 열역학적 성질입니다.
• 예를 들면 질량, 체적, 에너지가 있습니다.

2. 강성적(Intensive) 성질

• 질량에 의존하지 않는 열역학적 성질입니다.
• 예를 들면 온도, 압력, 밀도가 있습니다.

사견)

 교재에 있는 개념이라면 한 번 정도 확인하고 이해하셨으면 좋겠습니다. 크게 어려운 개념도 아닌데 저같은 경우 대충 넘겨서 중간고사 앞쪽 부분에서 "주어진 물리량을 종량적/강성적 성질로 구분하라"는 문제를 날려먹은 적이 있네요. 

 

 기본 개념 내용이 길어져 여러 편으로 나누겠습니다. 중편에서는 평형과 가역 과정에 대해 다루고 하편에서는 열역학적 성질들에 대한 정리를 할 예정입니다. 기본 개념 정리를 마치면 순물질과 혼합물에 대한 내용을 이어가겠습니다.