열역학 제1법칙-가상실험

 

열역학 제1법칙 

일반적으로 기체에 가해 준 열량 Q, 내부 에너지의 증가량 ΔU, 기체가 외부에 한 일 W의 관계는 다음과 같다.

이러한 관계는 열에너지와 역학적 에너지를 포함한 에너지 보존 법칙이며, 이것을 열역학 제1법칙이라고 한다.

 

위 그림과 같이 기체가 단면적 A인 한쪽 면에 일정한 압력 P를 작용하면서 ΔL만큼 이동하여 부피가 ΔV만큼 바뀌었다면, 이때 기체가 외부에 한 일 W는

 

가 된다. W>0이면 기체가 팽창하면서 외부에 일을 한 것이고, W<0이면 기체가 수축하면서 외부로부터 일을 받은 것이다.
기체(열역학적 계)가 외부와 상호 작용(일과 열의 교환)을 하면서 한 상태에서 다른 상태로 바뀌는 것을 열역학 과정이라고 한다. 열역학 과정 중에서 계의 상태를 대표하는 변수들 중 하나를 일정하게 유지한 특별한 경우로 등온 과정, 단열 과정, 등압 과정, 정적 과정 등이 있다. 이러한 열역학 과정에 대해 열역학 제1법칙이 어떻게 적용되는지 알아보자.

 

열역학 과정

(1) 등온 과정

 

T=일정
→ΔU=0, Q=W

① 등온 과정은 실린더의 한쪽 벽을 온도가 일정하게 유지되는 열원에 접촉하여, 아래 그림과 같이 기체가 외부에 일을 하더라도 기체의 온도가 열원과 같은 온도를 유지하도록 하는 과정이다. 보일 법칙에 의해 등온 과정에서 압력 P와 부피 V는 서로 반비례한다.

 

이상 기체의 경우 내부 에너지는 온도 T에 의해 결정되므로, 등온 과정에서 기체의 내부 에너지는 일정하다. 열역학 제1법칙으로부터 이상 기체가 등온 과정에 의해 팽창할 때 기체에 가해 준 열량 Q는 외부에 한 일 W와 같다.

 

 

(2) 단열 과정

 

 

Q=0
→ΔU=-W

 

기체를 갑자기 팽창시키거나 압축시키면 열이 흡수되거나 방출될 시간적 여유가 없으므로 단열 과정이라고 볼 수 있다.

위의 그림은 단열 팽창 과정을 나타낸 그래프이다. 단열 팽창 과정에서는 부피가 증가하면서 기체가 외부에 일을 하여 내부 에너지가 감소하므로 온도가 내려간다. 또 단열 압축 과정에서는 부피가 감소하면서 기체가 외부로부터 일을 받게 되므로 내부 에너지가 증가하여 온도가 올라간다.

 

 

 

(3) 등압 과정

 

 

P=일정, W=PΔV
→Q=ΔU+W

 

등압 과정은 아래 그림과 같이 기체의 압력이 일정하게 유지되면서 부피가 변하는 과정이다.

실린더에 서서히 열을 가하여 피스톤이 천천히 움직이도록 하면 등압 과정으로 볼 수 있다. 등압 과정을 P-V 그래프로 나타내면 가로축에 평행한 직선이 된다. 기체의 압력이 P로 일정하게 유지되면서 부피가 V1에서 V2까지 바뀐다면 기체가 외부에 한 일 W는

 

 

 

이 되며, 이것은 그래프 아래의 넓이와 같다. 등압 과정에서 부피가 팽창하면서 압력이 일정하게 유지되므로, 이상 기체의 상태 방정식(PV=nRT)에 의해 기체의 온도가 상승한 것이고, 이것은 내부 에너지도 증가한 것을 의미한다. 따라서 등압 과정에서 기체가 받은 열량은 내부 에너지의 증가와 외부에 일을 하는 데 사용된다.

 

 

(4) 등적과정

 

V=일정
→W=0, Q=ΔU

 

정적 과정은 피스톤을 고정하여 기체의 부피가 일정하게 유지되는 열역학 과정이다. 열을 받은 기체는 분자 운동이 활발해지면서 압력이 증가한다.

 

위 그림은 부피가 V로 일정하게 유지되면서 압력이 P1에서 P2로 바뀌는 정적 과정을 나타낸다. 정적 과정에서는 기체가 외부에 한 일 W=0이므로, 기체에 가해 준 열량 Q는 모두 내부 에너지의 변화 ΔU로 나타난다.
정적 과정의 예로 압력 밥솥을 들 수 있다. 압력 밥솥은 설정된 압력이 될 때까지 기체가 새지 않는다. 따라서 받은 열량이 모두 내부 에너지 증가로 나타나 온도와 압력이 높아진다. 압력 밥솥의 내부 압력이 높으면 더 높은 온도에서 물이 끓기 때문에 밥이 빨리 익는다.

 

 

 

내용출처 : 천재교육 물리2