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열역학 범칙

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by

지혜 변

on 12 September 2017

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Transcript of 열역학 범칙

'열역학' 이란?
열과 역학적 일의 기본적인 관계를 토대로 열 현상과 에너지의 흐름을 규정하는 법칙으로 4개의 법칙이 있다.
열역학 제0법칙
물체 A와 B가 다른 물체 T와 각각 열평형을 이룬다면 A와 B도 열평형을 이룬다.
알고 넘어가자 !
DISC 1
열역학 법칙!
그래비티 레인저
열역학 제1법칙
가정1
1종 영구기관
열역학 제1법칙을 위배하는 영구기관이다. 에너지보존법칙에 의해 에너지 공급없이 일을 하는 것은 불가능 하며 공급한 에너지 보다 더 많은 일을 할 수 없다.
열역학 제2법칙
열역학적 계의 유용하지 않은 (일로 변환할 수 없는) 에너지의 흐름을 설명할 때 이용되는 상태 함수다.
엔트로피는 일반적으로 보존되지 않고, 열역학 제2법칙에 따라 시간에 따라 증가한다.
무질서도 라고 표현할 수도 있다.
발표 내용
열역학 법칙
'열' 에 대하여....
열? 온도?
열 :
온도가 다른 두 물체가 접촉 해 있을 때 온도가 높은 물체에서 낯은 물체로 스스로 이동하는 에너지
온도:
물체의 차갑고 뜨거운 정도를 기준을 정해 수치로 나타낸 것
열 평형:
접촉한 두 물체의 온도가 같아져 열의 이동이 없는 상태
2. 온도의 단위에는 ____ 와 ____ 그리고 ____ 가 있는데
열역학에서는 '절대온도 K' 를 사용한다.
섭씨온도
화씨온도
절대온도
모든 물체는 '
온도
' 라는 특성을 가지고 있는데, 두 물체가 열적 평형상태에 있다면 두 물체의 온도는 서로 같으며 역도 성립한다.
열적 평형에 관한 법칙
섭씨온도
열에 대해서....
열역학 법칙과 영구기관
1기압에서 순수한 물의 어는점을 0℃끓는 점을 100℃로 하고 그 사이를 100등분 하여 한 눈금을 1℃로 나타낸 온도
화씨온도
1기압에서 순수한 물의 어는점을 32끓는점을 212℉로 하여 그 사이를 180 등분하여 한 눈금을 1℉로 나타낸 온도
스웨덴의 셀시우스에 의해 정해졌으며, 일상생활에서 가장 많이 쓰인다.
독일의 파렌하이트에 의해 정해졌으며, 미국과 유럽에서 주로 사용되고 있다.
섭씨온도(C)와 화씨온도(F)는

F = C × 1.8 + 32

C = (F - 32) / 1.8

절대온도
영국의 과학자 로드 켈빈(Lord Kel)이 물질에 관계없는 이론적인 온도를 제안하였는데 이를 열역학적 온도 즉 절대온도 라고 한다.
단위는 K를 쓰며 온도 간격은 섭씨온도와 같다.
-열에 관한 용어들-
-열역학에 들어가기 전에 앞서 알고 가야 할 것들-
-열역학 법칙에 들어가기 전에 열역학에 대해 알아보자-
'열'과 '동력'의 합성어로서 열과 역학적 일의 기본적인 관계를 바탕으로 열 현상을 비롯해서 내부 에너지라 부르는 계의 '열에너지'를 연구하고 응용하는 분야
물체 내부의 분자 운동에 의해 나타나는 에너지
열에너지:
-열이란 어떤것을 말하는 걸까?-
우리는 일상 생활에서 '열'을 접하게 된다.
직접적으로 열이라는 단어를 많이 쓰지는 않더라도 아침에 눈을 뜨기부터 밤에 잠이 들 때까지 우리는 열에 노출 되어 있다.
열역학에 들어가기 전에 간단히 열에 관한 용어들을 보고 가자
열량:
물체가 받거나 잃은 열의 양
비열:
열용량:
어떤 물질 1kg의 온도를 1K 올리는데 필요한 열량
물체를 가열하거나 냉각시킬 때물물물체의 온도가 얼마나 잘 않바뀌는지를 알려 주는 값
섭씨온도(C)와 화씨온도(F), 절대온도(K)의 관계

K = C + 273.15

C = K - 273.15

K = (°F - 32) / 1.8 + 273.15

F = (K - 273.15) × 1.8 + 32
1. 열역학에서의 기체는 '이상기체'를 사용한다.
한쪽 면이 자유롭게 움직이는 피스톤으로 된 원통형 용기 속의 기체에 열을 가하면 내부 E가 증가하고 압력이 증가한다. 외부의 압력보다 내부의 압력이 높아지면 기체는 피스톤을 밀어내 외부 압력과 내부 압력이 같아지게 만든다.
크기가 고정된 원통형 용기 속의 기체에 열을 가해주면 기체의 운동이 활발해져 용기 내부의
E
가 증가한다.
-E의 보존-
가정2
W=F∆L=PA∆L=P∆V
∆U=Q-W
단열과정
등적과정
부피가 일정하게 유지 되는 과정이다. 이 경우 이 기관은 일을 할 수 없다.∆U=Q-W에서 W=0이므로 ∆U=Q 이다.
순환과정
자유팽창
열의 전달이 없고, 일도 하지 않는 경우이다. ∆U=Q-W에서 Q와W가 0이므로 ∆U=0 이다.
열역학 제1법칙의 특수한경우
과정이 매우 빠르거나 단열이 잘되어 열에너지의 전달이 되지 않는 경우
∆U=Q-W 에서 Q=0 이므로
∆U=-W이다. 일을 하면 할수록내부에너지는 감소, 일을 가해지면 내부 에너지가 증가 한다.
열을 흡수하면 내부에너지가 증가, 열을 잃을 경우 내부에너지가 감소한다.
열과 일을 교환한 후 초기 상태로 돌아오는 열역학 과정이다. ∆U=Q-W 에서 ∆U=0 이므로 W=Q이다.
-엔트로피는 증가한다-
지금까지 본 열역학 법칙들을 간단히 정리하자면
제0법칙 - 열역학적 평형
제1법칙 - 에너지 보존의 법칙
제2법칙 - 엔트로피의 법칙
영국의 물리학자 찰스 퍼시 스노(C. P. Snow)의 비유 →
0법칙: 당신은 도박을 해야만 한다.
1법칙: 당신은 이길 수 없다.
2법칙: 당신은 본전도 못 찾는다.
3법칙: 도박은 끝나지 않는다.
제3법칙 - 절대영도 도달 불가능
도박
엔트로피:
용어 정리
가역현상:
비가역현상:
외부에 아무런 흔적을 남기지 않고스스스로 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 현상
스스로 처음 상태로 되돌아 갈 수 없고 시간에 대해서 한쪽 방향으로만 진행하는 현상
ΔS ≥ 0
Maxwell Demon
Maxwell Demon?


제임스 클러크 맥스웰이 고안한 사고실험.

두 종류의 기체의 혼합물로 차있는 고립된 방에 중간에는 벽과 문이 있고 그 사이에 악마가 있어서 떠돌아다니는 입자를 선별적으로 방 한쪽으로 보낸다고 생각하자. 이 과정에서 악마가 문을 여닫을 때 일의 소모가 없다고 가정하며 악마는 완벽하게 일을 처리한다고 본다. 초기에는 두 기체가 혼합되어 있었지만 시간이 지나면 두 분자가 분리되어 결과적으로 엔트로피가 감소한다.
가능? 불가능?
열역학 제2법칙은 깨지지 않는다고 결론지었다. 어떤 분자의 속도를 관찰하는데에는 엔트로피가 증가한다. 즉, 도깨비가 뚜껑을 열지 말지 정하기 위해 분자의 속도를 관측할 때 엔트로피가 증가하여, 결과적으로 분자들이 속도에 따라 나누어져 엔트로피가 감소해도 속도를 관측할 때 엔트로피가 증가함에 따라 최종적으로는 엔트로피가 증가한다.

' '문제 해결.

Maxwell Demon
2종 영구기관
열을 그대로 모두 일로 바꾸는 효율 100%의 열기관을 말한다.
결론부터 말하자면 불가능하다. 마찰이나 열의 발생으로 에너지 손실이 있기 때문이다.
열역학 제2법칙에 의해 엔트로피는 증가한다. 열이 관여하는 한 자연계의 법칙은 에너지 보존법칙을 충족시키고, 비가역적 이라는 조건도 추가되기에 불가능 한 것이다.

예를 들면, 얼음과 끓고 있는 물을 섞으면 얼음은 녹고 물 전체는 어떤 온도로 떨어지지만, 반대로 이 온도의 물이 스스로 얼음과 끓고 있는 물로 분리되지는 않는다.


열역학 제 3법칙
-절대영도에는 도달하지 못한다-
제3법칙은 절대영도에서의 엔트로피에 관한 법칙으로 네른스트의 열정리라고도 한다. 열역학과정에서의 엔트로피의 변화 ΔS는 절대온도 T가 0으로 접근할 때 일정한 값을 갖고, 그 계는 가장 낮은 상태의 에너지를 갖게 된다는 법칙이다.
절대영도에는 도달하지 못한다?
열용량이 일정 값을 가져야 하는데 이 법칙에 의하면 절대 영도에서는 열용량이 0이 되어 존재 할 수 없다.
정리
이상으로 발표를 마치겠습니다.
감사합니다.
밥도둑
밥이라도 훔치자
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