2. 열역학의 기본 개념 中

 

 

2.1. 열역학적 평형

  다음 세 가지 평형을 이루면 열역학적 평형 상태라고 합니다.

1. 열의 교환이 이루어져 온도가 같은 열적 평형
2. 일의 교환이 이루어져 압력이 같은 기계적 평형
3. 물질 교환이 이루어져 농도가 같은 화학적 평형

  계와 주위가 서로 상호작용을 하지 않고 시간 경과에 따라 계의 어떤 성질이 변하지 않을 때, 이 계는 열역학적 평형 상태에 있다고 합니다. 그렇다면 비평형상태는 이러한 열역학적 평형이 깨진 상태를 의미하겠죠. 따라서 비평형상태에서는 이러한 평형이 깨지는 요동이 존재하게 됩니다.

 

2.2. 과정과 사이클

  계의 상태가 변화할 때, 상태가 변화하는 중간 경로를 과정이라고 합니다. 이러한 과정을 여러 번 거친 후 최초의 상태로 돌아오는 일련의 과정이 있다면, 이 과정을 사이클이라고 합니다.

  아래의 두 그림의 예시를 통해 확인해 봅시다.

[그림 2.1] 과정

[그림 2.2] 사이클

  [그림 2.1]은 과정을 나타내고, [그림 2.2]는 사이클을 나타냅니다. 과정과 사이클을 나타내는 대표적인 선도인 PV 선도를 사용하였습니다.

 

• [그림 2.1]의 경우 A 상태에서 B 상태로 체적이 일정하고 압력이 증가하는 과정입니다. (정적 과정이라고도 합니다).
• [그림 2.2]의 경우 A-B-C-D 상태를 과정 1, 2, 3, 4를 통해 거쳐 다시 A 상태로 돌아오게 됩니다. 이 일련의 과정을 사이클이라고 합니다.

2.3. 평형 과정과 비평형 과정

  계의 한 상태에서 다른 상태로 변화하는 과정 동안 매 순간마다 평형을 이룬다면 이 과정을 평형 과정이라고 합니다. 반면에 한 순간이라도 평형이 깨지는(요동이 존재) 비평형 상태가 존재하면 비평형 과정이라고 합니다.

  평형 과정이란 사실 이상적이기 때문에, 일상의 대부분의 과정은 비평형 과정입니다. 따라서 충분히 열역학적인 해석이 가능하도록 문제에서는 모든 과정이 준평형 과정을 거친다고 가정합니다. 준평형 과정은 변화가 천천히 진행되어 그 중간 경로를 충분히 예측 가능한 과정으로 생각할 수 있습니다.

 

사견)

  저는 평형과정과 준평형과정의 차이를 측정 횟수로 이해하였습니다. 진행 과정 동안 측정 횟수가 충분히 많다면 그 과정을 준평형과정으로 생각할 수 있습니다. 정리하자면 상태 A에서 B로 과정을 '무한히' 측정하여 그린 선도는 평형 과정이 되고, '충분히 많이' 측정하여 그린 선도는 준평형 과정이 됩니다. 현실적으로 무한하게 측정하는 것은 불가능하기 때문에, 모든 과정을 준평형과정이라 가정한다 생각합니다.

 

2.4. 가역 과정과 비가역 과정

  가역/비가역 과정은 이후 열역학 제2법칙에서 사용될 개념입니다.

  가역 과정이란 과정을 완전히 역방향으로 진행하여 원래 상태로 돌아갈 수 있는 과정을 말합니다. 따라서 가역 과정은 진행 방향이 자유자재로 바뀔 수 있습니다.

  비가역 과정은 역방향으로 진행하여 원래 상태로 돌아갈 수 없는 과정이 됩니다. 가역 과정과는 다르게 과정의 진행 방향을 완전히 역방향으로 진행할 수 없습니다. 따라서 비가역 과정을 한 방향으로만 진행하는 과정이라고 생각할 수 있습니다.

 

사견) 

  사실상 대부분의 일상의 모든 과정은 비가역 과정입니다. 엎질러진 물이 다시 역방향으로 진행하여 컵에 담기거나 자연스럽게 열이 낮은 온도에서 높은 온도로 흐르지 않으니까요. 가역 과정은 에너지를 사용하는 측면에서 가장 이상적인 목표라고 생각하면 될 것 같습니다. 어떤 과정이 가역 과정에 가깝다면 에너지를 효율적으로 쓰는 과정이라고 생각할 수 있고, 이 가역 과정에 최대한 가깝도록 설계를 하고자 할 것입니다.

 

  하편에서는 열역학에서 자주 나오는 물리량을 정리할 예정입니다. 그리고 순물질과 혼합물에 대해 작성할 것 같네요.