열과 일에 의한 에너지 전달(Energy Transfer by Heat and Work)

에너지는 열린계(Open system) 또는 닫힌계(Closed system)의 경계(Boundary)를 통해 열(Heat)과 일(Work)의 형태로 이동 가능하다.

 

1. 열에 의한 에너지 전달

 

'열'이란 온도차에 의해 두 계(System) (또는 하나의 계와 그 계의 주위(Surroundings)) 사이를 이동하는 에너지의 형태이다. 고전 역학의 표현을 빌리자면, 온도차는 이 에너지를 이동하게 하는 추진력(driving force)이라고 할 수 있다. 

닫힌계에서의 에너지 이동은 다음 그림과 같이 표현할 수 있다.

두 계의 온도가 같을 경우 열의 이동이 일어나지 않는다. 우리가 실생활에서 자주 쓰는 표현과 다르게, 열역학에서 열은 에너지의 '이동'에 초점을 맞췄다. 원서의 경우 Heat: the transfer of thermal energy로 표현하였고, Heat는 Heat transfer과 같은 뜻으로 봐도 된다고 한다. 그렇지만 편의상 열의 이동이라는 표현을 사용하겠다. 

 

만약 어떤 과정에서 열의 이동이 일어나지 않을 경우, 이 과정을 단열 과정(adiabatic process)이라고 한다. 단열 과정은 두 가지 경우로 발생할 수 있다.

 

1) 계가 완전히 고립된(insulated) 경우

2) 계와 주위가 같은 온도인 경우

 

단열 과정은 열의 이동이 없더라도 일과 같은 다른 수단에 의해 계의 온도가 변할 수 있다.

열의 이동은 3가지 매커니즘에 의해 일어난다.

1) 전도(Conduction): 물질의 인접한 입자들 간 상호작용에 의해 발생. 에너지가 더 큰 입자에서 더 작은 입자로 이동.

2) 대류(Convection): 단단한 표면과 인접한 유체 간의 열의 이동. 대류는 전도의 효과와 유체의 움직임에 의한 효과를 합친 것이다.

3) 복사(Radiation): 전자기파(또는 광자)의 방출에 의한 열의 이동.

 

2. 일에 의한 에너지 전달

 

앞서 언급했듯이 에너지는 닫힌계의 경계를 일과 열의 형태로 통과할 수 있다. 따라서, 통과하는 에너지가 열이 아닐 경우, 일인 것은 자명하다. 일의 경우 온도차에 의해 발생하는 것이 아니다. 더 정확히 말하면 일은 거리를 통하여 작용하는 힘에 의한 에너지 전달이다(Energy transfer associated with a force acting through a distance).

예: 돌아가는 축, 계의 경계를 통과하는 전류 등

 

3. Formal sign convention

 

계를 기준으로 이동하는 일과 열은 방향성이 존재한다. 이를 위해 부호 규약이 존재한다.

그림과 같이 계 내부로의 열의 이동과 계가 한 일(Heat transfer to a system & Work done by a system)은 +이다.

 

4. Path function

 

열역학에서 일과 열은 경로 함수(Path function)이다. 즉, 불완전 미분량(inexact differentials)을 가지며, 불완전 미분(소문자 델타)으로 표기한다.

상태 1과 2에서 상태량이 같더라도 다른 경로이면 일의 양이 달라진다. 

 

상태량의 경우 점 함수(Point function)이다. 이들은 경로에 무관하며, 완전 미분(d)으로 표기한다.

열역학적 상태량 중 하나인 체적(Volume)의 적분은 다음과 같다.