열역학의 기본개념: 계, 상태 및 에너지

에너지는 문명의 바탕입니다. 우리는 매일 우리의 생명을 유지하고 일상생활을 하며 살아가기 위해 여러 가지 형태의 에너지를 사용합니다. 이 과정에서 에너지의 방출, 흡수, 전달 또는 전환이 이루어집니다. 이렇게 에너지의 한 형태로부터 다른 형태로의 변환이 일어나는 것이 열역학입니다. 

계(system)이란 무엇인가

열역학에서는 에너지가 다른 형태로 어떻게 전환되는지, 한 공간에서 다른 공간으로 어떻게 전달되는지에 대해 연구합니다. 열역학에서는 우주(universe)가 계(system)와 그 주위(surrounding)로 구성됩니다. 여기서 계는 주목하는 시료나 반응 혼합물일 수 있고, 계의 바깥이 주위입니다. 예를 들어 반응 혼합물이 들어갈 수도 있는 수조일 수 있습니다. 계는 열리거나 닫히거나 또는 고립될 수 있는데, 열린 계는  물질과 에너지 모두 주위와 교환 할 수 있습니다. 닫힌 계는 물질의 양은 일정하지만 에너지를 주위와 교환할 수  있습니다. 고립된 계는 주위와 어떠한 접촉이 없어 아무것도 교환할 수가 없습니다. 어느 계나 에너지가 그 주위와 어떤 작용을 하느냐에 따라서 분류할 수 있습니다.   

 

일과 에너지란 무엇인가

열역학의 가장 기본 성질은 일 또는 반대 힘에 거스르는 운동입니다. 일은 중력에 거슬러 추를 들어 올릴 때나 바닥에 놓인 물체를 마찰력에 거슬러 밀거나 당길 때 행해집니다. 또 다른 예로, 자동차 엔진의 실린더 내 기체는 팽창되어 피스톤을 밀어낼 때 일을 한다고 볼 수 있습니다. 

물체를 반대되는 힘에 거슬러 이동한 거리만큼 행해진 일을 수학적으로 계산하면 아래와 같으며, 단위는 joule로 나타냅니다.  

일 = 반대 힘 x 이동한 거리 

열역학에서 일을 하는 계의 용량을 내부 에너지라고 합니다. 계에 일을 해주면서 에너지를 전달하게 되면, 계의 내부 에너지는 증가하고, 계가 일을 하면서 에너지를 잃으면, 계의 내부 에너지가 감소합니다. 

 

열의 개념

열은 친숙한 말이지만, 열역학에서 보면 매우 중요한 의미를 갖습니다. 열역학에서 열이란 온도 차이 결과로 전달되는 에너지입니다. 에너지는 고온 영역으로부터 저온 영역으로 열로서 흐릅니다. 따라서 계의 경계가 열적으로 차단되지 않았다면,  계가 주위보다 더 차가울 경우 에너지는 주위에서 계로 흐르게 됩니다. 고온 영역에 있는 분자는 저온 영역에 있는 분자에 비해 매우 활발하게 운동하고 있습니다. 고온 영역 내 에너지가 높은 분자는 저온 영역 내 분자와 충돌하여 더 격렬히 운동하게 합니다. 그 결과 저온 영역의 계의 에너지가 증가하고 고온 영역의 계의 에너지는 감소하는 것입니다. 

에너지가 열로서 계로 들어오면, 계의 내부 에너지가 증가하고, 만일 에너지가 열로서 계로부터 나가면, 계의 내부 에너지가 감소합니다. 

 

열의 측정

열로서 계에 전달된 에너지를 측정하기 위해서는 얼마만큼의 에너지가 주어진 온도 변화에 대응하는가를 알아야 합니다. 이 대응은 온도 증가를 일으키는 데 소용되는 열의 비로 나타내고 열용량이라고 합니다. 열용량이 크다는 것은 많은 열을 전달하여도 온도 증가가 작게 일어남을 의미합니다. 

열용량은 크기의 성질입니다. 즉, 시료가 클수록, 일정량의 온도를 높이기 위해 더 많은 열이 필요하기 때문에 열용량 또한 커집니다. 그러므로 일반적으로 열용량을 시료의 질량으로 나눈 비열용량으로 나타내거나 열용량을 시료의 몰수로 나눈 몰열용량으로 나타냅니다.

어떤 물체의 열용량을 측정할 경우, 물체의 질량, 비열, 그리고 실험하는 동안 나타나는 온도 상승을 알면, 시료에 주어진 열을 계산할 수 있습니다.   

 

열역학 제일 법칙

내부 에너지 변화는 일과 열의 결과로서 함께 일어납니다. 예를 들어 자동차를 운전할 경우 엔진에서 연료와 공기의 혼합물이 폭발할 때, 증기가 연소되고 팽창하여 일과 열 모두 그 주위에 에너지를 전달합니다. 닫힌 계에서 내부 에너지가 변하게 되는 유일한 방법은 에너지가 열로서 또는 일로서 전달되는 것입니다. 만일 계가 고립되면, 내부에너지는 전혀 변할 수가 없는데, 이 결론을 열역학 제일 법칙이라고 합니다.

"고립된 게의 내부 에너지는 일정하다"

제일 법칙에 의하면, 고립된 계는 한 순간에 일정한 내부 에너지를 가지며, 아무리 많은 시간이 지났어도, 정확하게 동일한 양의 에너지를 계속하여 갖습니다.

 

여기까지 열역학의 기본개념에 대하여 알아보았습니다.