열역학

열역학 정의

열역학은 엔트로피, 열, 일, 에너지와 과정의 자발성을 다루는 물리학 중 하나의 분야입니다.

통계 역학과 밀접한 관계를 갖고 있으며 그로부터 많은 열역학 관계식을 얻어낼 수 있다.

물질이나 에너지를 서로 교환하는 여러 물리계 사이에서의 열역학 과정을 다룰 때, 고전 열역학은 과정이 완료되는 시간이나 과정이 일어나는 시간에 대해서는 관심을 가지지 않는다. 열역학 이라는 용어 대신해서 평형 열역학이라는 용어를 사용하여, 준정적 과정이라는 개념이 중요하다. 준정적 과정은 '천천히 변하여' 각 순간마다 '평형 상태'로 정의 할 수 있는 이상적인 과정을 말한다. 비평형적 열역학에서 시간에 따라 변화되는 열역학적 과정에 대해 연구한다.

열역학 법칙은 일반적인 법칙이다. 관찰하는 대상과 물질 사이의 상호작용에 관계없이 대부분 성립하는 법칙이다. 관찰하고자 하는 계와 이것을 둘러싼 환경 사이에서의 물질이나 에너지 교환이 평형을 이룬다는 정의만 확인되면 언제나 적용될 수 있다. 이것에 대한 예시로는 20세기 초 알베르트 아인슈타인이 예측한 자발 방출과 오늘날 연구중인 블랙홀 열역학이 있다.

 

열역학 역사

열역학의 역사는 에너지와 열에 관한 정의라고 생각하면 된다.

1789년 벤자민 럼포드에 의해 열은 물질의 한 종류라 간주했던 열소이론이 깨지면서 본격적인 열역학의 역사가 시작됐다.

1801년 존 돌턴은 기체는 온도의 증가에 따라 부피가 균등하게 증가된다는 이론을 밝혔다.

1808년 게이뤼삭은 모든 기체의 부피가 0으로되는 온도를 예측할 수 있게 되었고, -273℃가 절대온도 0이 되었다.

1824년 카르노가 카르노 사이클을 만들었고, 1849년 켈빈에 의해 입증되었다.

1850년 루돌프 클라우지우스는 열역학 2법칙을 만들었고 후에 열역학 1법칙도 만들었다.

1873년 반데르발스가 상태방정식을 고안했고 1878년 깁스는 깁스에너지와 상률이라는 용어를 적용했다.

1886년 라울은 라울의 법칙을 발표했고 1901년 루이스는 활동도의 개념을 적용했다.

1949년 레들리히와 쾅은 상태방정식을 기체에 맞게 적용을 했고 1955년 피쳐는 비중심 인자의 개념을 적용했다.

 

열역학 법칙

열역학은 네가지 법칙이 있다. 이 네가지 법칙은 여러가지의 서로 동등한 방법으로 기술될 수 있다.

 

열역학 0법칙은 열적 평형의 추이성과 관련된 법칙이다. 열역학 0법칙에 따르면 A와 B가 접촉하여 열역학 평형상태를 이루고 있고 B와 C가 접촉하여 평형상태를 이루고 있다면 A와 C가 접촉해도 열역학적 평형을 이룬다. 두 계가 접촉하였을 때 열역학적 평형을 이루지 못한다면 두계 사이에 물질이나 에너지의 알짜이동이 있다고 볼 수 있다. 서로 열역학적 평형을 이루고 있는 두 계는 추후에 접촉을 해도 평형을 이룰 수 있다.

열역학 0법칙은 열역학의 기본적인 개념이다. 이것이 법칙으로 나온것은 열역학의 많은 부분이 완성된 이후인 1930년대이다. 이미 열역학 1,2,3법칙이 정해졌기 때문에 열역학의 근본적인 개념으로 0법칙이 되었다.

요약하자면 A와 B가 같고 B와 C가 같다면 A와 C는 같다고 볼 수 있는 법칙이다.

 

열역학 1법칙은 에너지 보존과 관련된 법칙이다. 열역학 1법칙에 따르면 단열 과정에서의 일 교환은 과정의 형태에 상관없이 처음 상태와 마지막 상태에만 관계한다. 단열과정에선 열이동이 불가능하기 때문에 이것은 에너지 보존 법칙과 동일한 진술이다. 열역학 1법칙은 단열과정하에서 에너지 이동은 계가 한 일 혹은 일밖에 없음이라 생각하면 된다. 이는 수학적으로 다음과 같이 나타낼수 있다.

dU = dq + dw

여기서 U는 내부 에너지, q는 얻은 열 에너지, w는 계가 행한 일이다.

 

열역학 2법칙은 에트로피의 증가와 관련된 법칙이다. 열역학 2법칙에 따르면 열원으로부터 열에너지를 배출해서 모두 일로 전환하되, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 싸이클은 존재하지 않는다. 열적으로 고립된 계는 엔트로피는 감소하지 않는다. 하지만 미시계에서는 2법칙에서 정의되는 것과는 반대로 행동하는 엔트로피 요동이 있다. 가역 동역학과  인과율의 공리부터 요동 정리를 수학적으로 증명할 수 있고 이것이 2법칙을 증명할 수 있다.

 

열역학 3법칙은 절대 0도의 불가능성과 관련된 법칙이다. 열역학 3법칙은 통계적으로 나타나는 자연적인 법칙이지만 절대0도에 다다르는 것은 불가능하다고 하는 법칙이다. 이 법칙은 엔트로피의 값이 절대0도를 제공해주는데 이처럼 절대0도를 기준으로해 상대적으로 기준이된 엔트로피를 절대 엔트로피라고 불린다. 엔트로피는 절대0도에 가까워질수록 변화량은 0에 수렴하고 절대0도에서의 엔트로피는 0이다. 하지만 자연계에선 절대0도는 존재할 수 없고 0으로 수렴된다.

어떠한 계, 혹은 어떠한 상태에서든지 엔트로피는 절대0도에서 최소이다.라고 표현할 수 있다.