열역학 제 1 법칙 쉽게 이해하기

안녕하세요, 오늘 열역학 제 1법칙에 대해 최대한 쉽고 직관적으로 설명 드려 볼까 합니다.

LIST

"계" 란?
열 - heat 란?
일 이란?
열역학 제 1법칙

"계" 란?

"계" 의 의미에 대해 일단 감을 잡아야 하는데요, 열역학에서 "계" 의 의미는 여러분 앞에 놓여진 어떠한 사진 또는 현상 정도로 생각을 하시면 됩니다.

눈에 보이지 않는 것은 생각하지도 말고, 가정하지도 마세요. 눈 앞의 사진, 문제, 물체에 대해서만 생각하고 그 관계에 대해 설명하는 것부터 열역학의 시작이라고 볼 수 있겠습니다.

물리학적인 의미로는 "우주의 한 부분" 이라고 표현하기도 합니다. 사실 대부분의 경우에, 이상적인 어떠한 열기관의 현상에 대해 다루는데 그것이 우리가 보통 해석하게 되는 "계" 입니다.

열기관은 열이 빠져나가고 들어오는 하나의 객체라고 보시면 되고, 그 과정에서 일을 하는 기관입니다.

쉽게 말하면 , 물체에 열을 가해주면 무슨 일이 일어날까? 에 대한 가장 직관적인 해석을 적용할 수 있는 어떠한 것 입니다.

조금 더 물리적인 용어로 해석을 한 경우를 참고 하시려면 하기를 클릭해 주세요.

열 - heat 란?

열 = heat 란 무엇일까요? 사실 온도 : temp랑 착각하기 쉽습니다.

열의 영어 단어인 heat란 사실 "때리다" 의 의미를 가지고 있기도 한데요, 누군가를 때리다, 가하다 라는 의미는 열역학에서 해석하자면, 분자를 "열" 로 때리거나 가하여 움직이게 하는 것을 의미한다고 볼 수 있습니다.

즉, 열은 분자를 움직이게 할 수 있는 어떠한 것이라는 것이죠.

온도는 분자나 원자가 얼만큼의 열을 받거나 흡수하여 어떠한 상태 정도를 나타내는 지표 라고 볼 수 있습니다.

온도가 100도인 공간은 10도인 공간보다 열을 많이 머금고 or 흡수한 공간이라 볼 수 있다는 것이죠. 열이 많다 적다로만 표현되므로, 조금 더 세분화된 구분을 위해 온도라는 지표를 사용하는 것이죠.

사실 열역학에서 사용되는 온도는 섭씨가 아니라 켈빈도(K) 라는 온도를 사용 하는데요, 섭씨를 절대온도(켈빈도) 로 변환할 때는 정수 273을 섭씨에서 더해 주어야 합니다.

구체적인 계산은 아래 계산기로 하시면 편합니다 . 화씨, 랭킨 도 라는 단위도 있는데, 한꺼번에 변환 해 주어 편합니다.

일 이란?

마지막으로, 열역학 법칙에 앞서 "일" 의 개념에 대해 알 필요가 있습니다.

이건 조금 공식적으로 접근해 보겠습니다. 일 이란 힘(F) 에 이동 거리를 곱한 값으로 구할 수 있습니다. 조금 자세하게는 일반적으로 아래와 같이 F 에 이동거리(d)를 "내적"한 값을 의미합니다.

W = F ⋅ d = F d cos ⁡ θ

사실 내적과 외적 등의 용어를 설명하려면 길어지기 때문에, 관심있으시면 하기를 클릭하셔서 자세히 알아보셔도 됩니다.

간단하게만 설명하면, F(힘)을 줘서 물체가 이동 했을 때, 이동 방향으로만 작용한 F(힘) 을 이동거리에 곱해 주는 것입니다. 보통 일정한 각도를 이루고 있다고 치면, Cosine 성분이 그 크기가 되므로 힘과 이동거리 크기에 cos 값을 곱해주는 것 입니다. 열역학에서는 모르셔도 되니 이만 하겠습니다.

다시 돌아와서, 일의 단위에 대해 좀 살펴 보겠습니다.

F(힘) 은 아시다시피 N(뉴턴) 이죠. 힘은 다시 말해 F=MA(질량 X 가속도) 로 표현 되기도 합니다.

이 수식을 조금만 다듬어 보면, F= M ( V의 변화량/ 시간 ) 로 표현 될 수 가 있죠.

여기 양변에 이동거리 = 속도X시간 을 곱해보면, F x 이동거리 = M(V의 변화량 / 시간 ) x (속도X시간) 이 되고

우변을 정리하면, F x d(이동거리) = M V의 제곱 이 됩니다. 사실 물체가 등속도 운동을 했다는 가정이 없기 때문에 정확한 상수값은 뒤로 하고, 중요한 단위만 보면 F x d = W(일) 이 우리가 알던 MV의 제곱, 즉 운동 에너지(J)와 단위가 같아진다는 것 입니다. 즉, 일의 단위는 J(줄) 이고 질량을 가진 물체가 어떠한 속도가 있을 때 항시 생기는 것이라고 볼 수 있습니다.

따라서, 이것을 열역학, 즉 분자의 운동에 가져와 보면

어떠한 계 내에 100개의 분자가 있다고 가정하면, 분자 100개가 가지는 각각의 운동에너지의 합이 그 "계"가 가지고 있는 에너지라 볼 수 있고, 이것은 그만큼 그 "계"에 W(일) 을 누군가가 해주었다는 의미 입니다. 물론 계에 가한 에너지는 모두 분자의 운동에만 사용되었다는 가정하에서요.

조금 길어졌는데, 정리하면 " 분자의 운동이 발생했다는 것은 그 계는 열의 이동이 있었다는 이야기이고, 그 과정에서 어떠한 상응하는 일(W)이 발생했다고 볼 수 있습니다. "