[공조냉동기계 산업기사] 열역학 법칙 (Thermodynamic law)

열역학(Thermodynamics)은 에너지와 물질의 상태 변화, 그리고 에너지가 다른 형태로 변환되는 과정을 다루는 물리학의 한 분야를 열역학이라 합니다. 조금 더 쉽게 정의하자면 " 에너지의 흐름과 변환"을 연구하는 학문입니다.
제목은 공조냉동기계 산업기사 열역학 법칙인데 오늘 설명하는 내용은 필요 이상으로 과할 수 있어요. 그래도 최대한 줄여볼게요.
 

열역학 법칙

(1) 열역학 제 0 법칙

A, B, C 세 개의 계가 있을 때, A와 B가 각각 C와 열평형 상태라면 A와 B도 서로 열평형 상태가 됩니다.
조금 더 쉽게 생각해볼게요. 높은 온도의 물질을 낮은 온도의 물질과 접촉시키면 높은 온도의 열은 낮은 온도 쪽으로 이동하고 시간이 지나면 두 물체의 온도는 같게 됩니다. 열역학 제 0 법칙은 "온도의 개념을 정의 할 수 있는 기초"가 되는 법칙이에요.
그래서 이 법칙은 다른 말로 "열평형의 법칙"이라고 합니다.

 

(2) 열역학 제 1 법칙

에너지는 생성되거나 소멸하지 않고, 형태만 변환된다는 법칙이에요.
그래서 에너지 보존의 법칙이라 불리기도 해요.
 
열역학 제 1 법칙에서는 에너지 보존의 법칙으로 고립계에서 에너지가 어떠한 형태로 바뀌던지 그 총합은 일정합니다.
계의 총 에너지는 운동에너지와 위치에너지, 내부에너지의 총합으로 나타낼 수 있어요.
 

 
에너지 형태는 주로 일과 열이며, 이 두 에너지 형태는 에너지를 전달하는 방법 중 하나예요.
대표적인 예로 열기관을 생각해보면, 열기관은 열을 받고 외부에 일을 하는 대표적인 계입니다.
거시적인 계에서 제 1 법칙은 아래와 같이 표시할 수 있어요.
 

 
여기서 q는 계가 받는 열, w는 계가 외부에 한 일입니다.
각각의 부호에 대해 q가 (+)면 열을 받고, (-)면 열을 내어 놓는 상태입니다.
w의 부호가 (+)이면 계가 외부에 일을 하고, (-)이면 외부로부터 일을 받는 상태입니다.
 
엔탈피(Enthalpy)란 어떠한 물질이 특정한 압력과 온도에서 가지게되는 물리량을 의미합니다.
엔탈피는 H=U+PV로 정의 되며, 주로 압력이 일정한(등압 과정)에 유용하게 사용됩니다. (공조냉동 분야에서 자주 사용됩니다.)
 

(3) 열역학 제 2 법칙

제 1 법칙은 에너지 보존 외에는 제약 조건이 없어요. 그래서 제 1 법칙으로는 상태를 예측할 수 없습니다.
열은 항상 고온에서 저온으로 자발적으로 흐르며, 열의 역방향 이동은 반드시 일로 되어져야 합니다.
실제에서 어떠한 변화가 일어 났다면, 이는 계와 주위도 변화를 일으키며, 비자발적인 반응입니다.
 
이러한 제한성을 극복하기 위해 엔트로피(Entropy) 함수가 도입되었습니다.
엔트로피 함수는 자발성을 예측하며, 모든 자연스러운 과정에서 엔트로피는 증가하거나 일정합니다.
 
열역학 제 2 법칙에 따르면, 모든 열저장소로부터 열을 흡수해 이 열을 완전한 일로 바꾸는 것은 불가능합니다.
즉, 100%의 효율을 가지는 기관이 없다는 의미입니다.
 

 
엔트로피 함수는 아래와 같이 표현 할 수 있으며, 다음과 같은 특징이 있습니다.
통계 열역학적인 관점에서 엔트로피는 무질서도를 나타냅니다. 

 
• 엔트로피는 상태함수이다.
• ∆S>0 : 자발 과정
• ∆S=0 : 평형
• ∆S<0 : 역반응
 

(4) 열역학 제 3 법칙

절대온도 0K(절대영도)에서는 계의 엔트로피가 0에 수렴합니다.
즉, 절대영도에서는 완전한 질서 상태에 도달합니다. 절대영도에서는 분자 운동도 정지하기 때문입니다.
 
절대영도에서 열역학 제 3 법칙이 성립하지 않는 물질의 특징은 비결정질, 용액상, 고용체, 방향이 다른 분자가 있습니다.
대표적으로 유리는 고온 상태에서 무질서한 원자 배열이  냉각되어 동결된 냉각 액체(비결정질)로 간주될 수 있습니다.