열역학 제0법칙

[유토피아]

[ the zeroth law of thermodynamics , 熱力學第零法則 ]

물체 A와 B가 다른 물체 C와 각각 열평형을 이루었다면 A와 B도 열평형을 이룬다. 즉 한 물체 C와 각각 열평형 상태에 있는 두 물체 A와 B는 서로 열평형 상태에 있다.

계(系)의 물체 A와 C가 열적 평형상태에 있고 B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 B도 열평형온도의 존재를 주장하는 것과 같으며, 열

예를 들면 C는 온도를 측정할 수 있는 검온기 혹은 온도온도온도를 56도라고 측정했다면 A와 B는 서로 열평형열평형열역학 제0법칙은 모든 물체는 온도라는 특성을 가지고 있으며 두 물체가 열적 평형상태에 있다면 둘의 온도



실험실에서 열물체의 온도가 같은지 알고 싶다면 각각의 물체의 온도물체를 접촉시키고 둘 사이에 열평형

이 법칙은 열열온도라는 개념이 두 법칙의 기본이므로 온도

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열역학 제1법칙

[ the first law of thermodynamics , 熱力學第一法則 ]

계의 내부에너지 변화는 계가 흡수한 열과 계가 한 일의 차이이다. 즉, 계의 내부에너지는 열의 형태로 더해지면 증가하고, 계가 일을 하면 감소한다.

열역학 제1법칙을 간단히 수식으로 써보면 다음과 같다.

E = Q - W

여기서 E는 내부 에너지, Q는 계에 흡수되는 열, W는 계가 한 일이다. 계가 열 Q를 흡수하면 내부에너지는 증가하고 방출하면 내부에너지는 감소한다. 그리고 계가 일을 하면 내부에너지는 감소하고, 계가 외부로부터 일을 받으면 내부에너지는 증가한다.

열역학 제1법칙의 특수한 경우로 4가지(단열 팽창/압축 과정, 자유 팽창 과정, 등적 과정, 등온 과정)가 있다.

첫째, 단열 팽창 또는 단열 압축 과정이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W 에서 Q = 0인 경우이다. 즉 외부로부터 열의 출입이 없는 경우이다. 그러면 E = -W가된다. 이는 외부와 열에너지 전달이 일어나지 않는 과정이다. 계(System)가 일을 하면 내부에너지는 그만큼 감소하고, 반대로 계가 외부로부터 일을 받으면 내부에너지는 그만큼 증가한다.

단열벽은 계에 출입하는 열을 완벽하게 막는다. 계와 주위 사이에서 에너지가 전달될 수 있는 방법은 오직 납알을 올리거나 내리는것 뿐이다. 피스톤 위에 납알을 올리면 기체가 압축되어 계가 한 일은 음의 값이고 내부에너지는 증가한다. 반면 납알을 내리면 기체가 팽창되어 계가 한 일은 양의 값이고, 내부에너지는 감소한다.

둘째, 자유 팽창 과정이다. 자유팽창은 계와 주위 사이에 열전달이 없고, 계가 일도 하지 않는 단열 과정의 일종이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W 에서 Q = W = 0인 경우이다. 그러면 E = 0이 된다.
자유팽창에서 잠금마개가 열리면 기체는 자유팽창을 하여 양쪽 공간을 모두 채운다. 이때 두 공간은 단열되어 있으므로 외부와 열전달은 없다. 그리고 기체가 아무 압력도 받지 않고 진공으로 들어가므로 일도 없다.




셋째, 등적과정이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W 에서 W = 0인 경우이다. 즉 부피가 일정하다. 계가 열을 흡수하면 계의 내부에너지는 증가하고, 반대로 열을 잃으면 내부에너지가 감소한다.

 

넷째, 등온 과정이다. 온도를 일정하게 유지하고 압력과 부피를 변화시키는 과정으로, 열역학 제1법칙 E = Q - W 에서 E = 0인 경우이다. 따라서 Q = W가된다.

등온 과정을 따르므로, 즉 온도 변화가 없으므로 내부 에너지가 일정하고, 외부에서 공급되는 열에너지는 모두 일로 변한다. 

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열역학적계(system)에 대한 에너지보존법칙으로 계가 흡수로 주어진다. 열역학 제1법칙은 에너지 보존

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열역학 제2법칙

고립된 계에서 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 저온의 물체에 있는 열에너지가 고온의 물체로 이동해서 저온의 물체는 더 차가워지고 고온의 물체는 더 뜨거워져도 이때 이동하는 에너지의 양만 같다면 열역학 제1법칙에너지 보존 법칙

① 열은 고온의 물체에서 저온의 물체 쪽으로 흘러가고 스스로 저온에서 고온으로 흐르지 않는다(클라우지우스의 표현).
② 일정한 온도의 물체로부터 열을 빼앗아 이것을 모두 일로 바꾸는 순환 과정(장치)은 존재하지 않는다(켈빈-플랑크의 표현).
③ 제2종 영구 기관
④ 고립된 계의 비가역 변화는 엔트로피

u

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열역학 제3법칙

[ the third law of thermodynamics , 熱力學第三法則 ]

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. 이 법칙에 의하면 절대영도에서 열용량은 0이 된다.

네른스트의 열 정리 또는 네른스트-플랑크의 정리라고도 한다. 1906년 W. H. 네른스트는 열역학과정에서의 엔트로피의 변화 ΔS는 절대온도엔트로피는 압력, 부피, 자기장 등 외부 조건과는 관계없이 온도
예를 들면, 엔트로피
S = k lnW
여기서 k = 1.38 × 10^-23J/K로 볼츠만 상수, W는 배열에 대한 경우의 수 혹은 상태수, ln은 밑수가 e인 자연로그이다.
 
만약 가장 낮은 준위가 3배로 축퇴(縮退, degeneracy)되어 있다면, 절대영도(0 K)에서 허용한 상태수는 3이므로, 엔트로피절대영도
 
후에 더 나아가 M.플랑크는 온도(T)가 0K로 접근가게 됨에 따라 엔트로피온도(T)가 0K근처에서 비열이나 팽창률은 0이 된다는 결론이 나오므로, 유한 횟수의 과정의 경우에는 절대영도통계역학에서는 미시적 상태의 수를 W라 하면 엔트로피는 볼츠만의 원리에 의해 S=k ln W로 표시하는데 0K에서는 모든 계가 바닥상태[基底狀態]로 되며, 바닥상태
 
열역학 제3법칙을 간단하게 정리해서 말하면, 절대온도(T)가 0으로 접근(approach)할 때 계의 엔트로피

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