열역학 제 1법칙(First law of thermodynamics)

1. 에너지 보존(conservation of energy)에 대한 법칙인 열역학 제 1법칙은 아래 식에서 출발한다.

어떤 과정(process) 동안 계(system)의 총 에너지 변화량은 계로 들어온 총 에너지 - 계에서 나간 총 에너지와 같다. 

또, 에너지는 열역학적 상태량이므로 이는 최종 상태에서 초기 상태와의 차이와 같다. 

이 에너지는 다양한 형태로 존재 가능하지만, simple compressible system에서의 에너지만 고려할 것이다. 

*simple compressible system: 전자기력, 표면장력 등에 의한 효과를 무시

이 계에서의 energy balance는 계의 내부 에너지(internal energy), 운동 에너지(kinetic energy), 위치 에너지(potential energy)의 합으로 나타낼 수 있다.

많은 계는 정적(stationary)인 상태에서 과정이 진행된다. 따라서 계의 KE와 PE의 변화를 고려하지 않을 것이다. 

+) 내부 에너지에 관한 설명

계의 내부 에너지 U는 다음과 같다.

U=(분자들의 움직임에 의한 KE)+(분자들 사이의 PE)+(화학 결합에 저장된 결합 에너지)

1) 분자들 사이의 PE: 고체에서는 격자 에너지, 기체와 액체에서는 분자들 사이의 인력과 반발력을 포함한다.

2) 분자들의 움직임에 의한 KE: 개개 분자들의 병진 운동, 회전 운동, 진동 운동 등으로 나타난다.

3) 화학 결합에 저장된 결합 에너지: 분자 간의 상호작용에 의한 에너지보다 더 미시적인 에너지이다. 자세히 다루지는 않을 것이다.

내부 에너지에서 KE,PE는 위에서 언급한 '계의 energy balance에서의 KE,PE'와는 다른 개념이다. 내부 에너지는 분자 단위의 미시적인 에너지이며, 계의 KE, PE는 계 자체의 역학적인 상호작용에 의해 변화하는 거시적인 에너지이다. 예를 들어 300K의 산소 기체를 담은 고립계가 100m/s로 이동하고 있다고 생각해보자. 300K는 이 계의 분자의 내부 에너지를 나타나며 100m/s는 이 계 자체의 운동 에너지를 나타낸다. 

 

2. system에서의 총 에너지에 관한 식을 알아보았다면, 이제 이 에너지 변화가 일어날 수 있게 하는 요소에 대해 알아볼 것이다. system에서의 에너지 상호작용은 3가지 요소에 의해 일어날 수 있다: 일, 열, 질량 흐름

1) 일: 기계적인 일(운동 에너지, 위치 에너지)과 압력-부피 일이 있다. 우리는 stationary system을 다루고 있으므로 기계적인 일은 고려하지 않고, 압력-부피 일만 고려할 것이다. 앞에서 내부 에너지는 분자 단위의 역학적인 에너지를 나타낸다고 했다. 따라서 압력-부피 에너지는 계와 주위 간의 역학적 상호작용만으로 내부 에너지를 변화시킬 수 있다. 

2) 열(또는 열에너지): 역학적인 상호작용 없이 에너지를 변화시킬 수 있다. 계와 주위 간 온도차에 의해 전달될 수 있다.

3) 질량 흐름: system에서의 질량 유량으로 인하여 에너지가 변화할 수 있다. 예를 들어, system에서 뜨거운 온도의 유체가 나가면 system에서의 에너지는 감소한다. 

이 3가지 요소를 고려하여 energy balance 식을 다시 세울 수 있다.

3. closed system에서는 질량 유량이 없으므로 1,2의 식을 다음과 같이 쓸 수 있다.

이 식을 더 간단히 표현할 수 있다.

(Q: heat transferred into the system, W: work done by the system)

위 식은 simple compressible stationary closed system에서 

여기서 W의 부호의 경우 책마다 다를 수 있다. 보통 공학 전공 교재의 경우 (열기관에서) 계가 한 일(work done by the system)이 중요하므로 계가 한 일을 양의 부호로, 자연과학 전공 교재의 경우 계가 받은 일(work done on the system)을 양의 부호로 정한다.