열역학 제1법칙은 무엇인가?

 

열역학 제1법칙은 열은 에너지의 한 형태라고 명시하고 있으며, 따라서 열역학 과정은 에너지 보존의 원리에 따르게 된다.이것은 열 에너지가 생성되거나 파괴될 수 없다는 것을 의미한다고 브리태니커는 말한다.그러나 그것은 한 장소에서 다른 장소로 옮겨지고 다른 형태의 에너지로 변환될 수 있다.

 

열역학은 열과 다른 형태의 에너지 사이의 관계를 다루는 물리학의 한 분야다.특히 열 에너지가 어떻게 다른 형태의 에너지로 변환되고 어떻게 물질에 영향을 미치는지 설명한다.열역학의 기본 원리는 4가지 법칙으로 표현된다.

 

사이발 미트라 미주리 주립대 물리학과 교수는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "제1법은 시스템의 내부 에너지가 시스템에 작용하는 작업과 같아야 하고, 시스템에 유입되거나 밖으로 흐르는 열과 시스템에 작용하는 다른 모든 작업을 더하거나 빼야 한다고 말한다"고 말했다.

 

열역학 제1법칙의 역사

 

미국물리학회에 따르면 18세기 후반과 19세기 초의 과학자들은 1783년 앙투안 라부아지에가 처음 제안한 칼로리 이론을 고수했고, 1824년 사디 카르노의 연구로 더욱 힘을 얻었다.이 과학적 이론은 열을 높은 곳에서 낮은 곳으로 물이 흐르듯이, 고온에서 차가운 지역으로 자연스럽게 흘러가는 일종의 유동체로 취급했다.이 칼로리 액체가 뜨거운 지역에서 차가운 지역으로 흐르면 운동 에너지로 전환되어 떨어지는 물이 물레바퀴를 구동할 수 있는 만큼 일을 많이 하도록 만들 수 있었다.버지니아 대학에 따르면 1867년 루돌프 클로시우스가 '열기의 기계론'을 출간하고 나서야 비로소 칼로리 이론이 잠재워졌다고 한다.

 

열역학계

 

미주리주립대 물리학과 데이비드 맥키 교수는 "에너지는 두 부분으로 나눌 수 있다"고 말했다.하나는 피스톤이 기체계를 움직이고 밀어내는 것과 같은 우리의 인간 규모의 거시적인 공헌이다.나머지는 개인의 기여를 추적할 수 없는 아주 작은 규모로 일어나는 일들로 이루어져 있다.

 

"금속의 표본 두 개를 서로 마주 대고 올려놓았는데, 원자가 경계에서 덜컹거리고 있는데, 두 개의 원자가 서로 부딪쳐 튀는데, 그 중 한 개가 다른 원자에 비해 빨리 떨어져 나가자, 추적할 수가 없군.맥키는 라이브 사이언스와의 인터뷰에서 "매우 작은 시간 척도와 매우 작은 거리에서 발생하며 초당 몇 번이고 발생하기도 한다"고 말했다."그러니까, 우리는 모든 에너지 전달을 우리가 추적할 것과 추적할 수 없는 것 두 그룹으로 나누면 되는 겁니다.이 중 후자는 이른바 열이다."

 

열역학 시스템은 일반적으로 개방, 폐쇄 또는 격리된 것으로 간주된다.캘거리 대학에 따르면, 개방된 시스템은 에너지와 물질을 주변과 자유롭게 교환하고, 폐쇄된 시스템은 주변과 물질이 아니라 에너지를 교환하며, 고립된 시스템은 주변과 에너지나 물질을 교환하지 않는다.예를 들어 끓는 국이 담긴 냄비는 난로에서 에너지를 받아 팬에서 열을 방사하고 증기 형태로 물질을 방출해 열 에너지를 운반하기도 한다.

 

이것은 개방적인 시스템일 것이다.만약 우리가 항아리에 뚜껑을 꽉 닫으면, 그것은 여전히 열에너지를 발산할 것이지만 이상적으로는 더 이상 증기의 형태로 물질을 방출하지 않을 것이다.이것은 폐쇄적인 시스템일 것이다.그러나 완벽하게 절연된 보온병에 국물을 붓고 뚜껑을 밀봉한다면 그 체계에 에너지나 물질이 들어가거나 빠져 나갈 일은 없을 것이다.이것은 고립된 시스템이 될 것이다.

 

그러나 실제로는 완벽하게 격리된 시스템이 존재할 수 없다.모든 시스템은 아무리 잘 절연되어 있어도 그들의 환경에 에너지를 전달한다.보온병 속의 수프는 몇 시간만 뜨겁게 유지될 뿐 다음날이면 실온에 이를 것이다.또 다른 예로, 더 이상 에너지를 생산하지 않는 연소된 별들의 뜨거운 잔해인 백색 왜성들은 성간 공간에서 거의 완벽한 진공상태로 광년 동안 절연될 수 있지만, 방사선을 통한 에너지 손실로 인해 결국 수 만도에서 거의 절대 영도에 가깝게 냉각될 것이다.비록 이 과정이 현재 우주의 나이보다 더 오래 걸리지만, 그것을 멈출 수는 없다.

 

열기관

 

제1법의 가장 보편적인 실용적 적용은 열엔진이다.열 엔진은 열 에너지를 기계적 에너지로 변환하고 그 반대의 경우도 마찬가지다.대부분의 열기관들은 개방형 시스템의 범주에 속한다.조지아 주립대에 따르면 열 엔진의 기본 원리는 일반적으로 기체인 작동 유체의 열, 부피 및 압력 사이의 관계를 이용한다.작동 유체의 예로는 증기 엔진의 증기 및 냉동 시스템의 하이드로불화탄소가 있다.

 

가스가 가열되면 팽창하지만, 가스가 팽창하는 것을 막으면 압력이 증가한다.구속실의 하단 벽이 이동 가능한 피스톤의 상단인 경우, 이 압력은 피스톤 표면에 힘을 작용하여 피스톤이 아래로 이동하도록 한다.그런 다음 이 이동을 사용하여 피스톤 상부에 가해지는 총 힘과 동일한 작업을 피스톤이 이동하는 거리를 곱할 수 있다.

 

기본 열엔진에는 수많은 변화가 있다.예를 들어, 증기 엔진은 일반적으로 물을 포함하는 보일러 탱크를 가열하기 위해 외부 연소에 의존한다.물은 증기로 변환되고, 그 압력은 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 피스톤을 구동하는 데 사용된다.그러나 오클라호마 대학에 따르면 자동차 엔진은 액체 연료가 기화돼 공기와 혼합돼 움직이는 피스톤 위 실린더 내부에서 점화돼 내연소를 이용, 연료가 아래로 내려간다고 한다.

 

냉장고, 에어컨 및 열펌프

 

냉장고와 히트펌프는 기계에너지를 열로 변환하는 열엔진이다.이들 대부분은 폐쇄형 시스템의 범주에 속한다.작동유체, 즉 가스가 압축되면 온도가 상승한다.이 뜨거운 가스는 열을 주변 환경으로 전달할 수 있다.그 후 압축 가스가 팽창할 수 있게 되면 고온 사이클 동안 열 에너지의 일부가 제거되었기 때문에 압축되기 이전보다 온도가 낮아진다.이 차가운 가스는 환경으로부터 열 에너지를 흡수할 수 있다.보스턴 대학교에 따르면, 이것은 에어컨 뒤의 작동 원리라고 한다.에어컨은 실제로 냉기를 만들어 내는 것이 아니라 열을 제거해 준다.

 

기계식 펌프는 작동 유체를 압축에 의해 가열되는 실외에서 이동시킨다.다음으로 열은 보통 공랭식 열교환기를 통해 실외 환경으로 전달되는데, 이 열은 종종 전기 선풍기를 사용하여 환경으로 열을 방출한다.그런 다음 작업용 액체를 실내로 다시 가져와 팽창하고 냉각시켜 다른 열교환기를 통해 실내 공기의 열을 흡수할 수 있도록 한다.

 

열펌프는 단순히 에어컨이 역주행하는 것이다.압축된 작동 유체의 열은 건물을 따뜻하게 하는 데 사용된다.그런 다음 팽창하고 차가워지는 곳으로 밖으로 옮겨져 외부 공기로부터 열을 흡수할 수 있게 되는데, 겨울에도 보통 차가운 작동유체보다 따뜻하다.작동 유체는 일반적으로 매우 낮은 온도에서도 계속 흐를 수 있을 정도로 낮은 동결점을 가지고 있다.

 

미국 에너지부에 따르면 지열 또는 지상원 공조 열펌프 시스템은 깊은 우물이나 작업용 액체가 순환되는 넓은 지역에 매장된 수평관들의 배열로 긴 U자형 관을 사용하며 열이 지구로 전달되거나 지구로부터 전달된다.다른 시스템들은 작동 유체를 가열하거나 식히기 위해 강이나 바닷물을 사용한다.