열역학 법칙들

[김두천]

열역학 제 0 법칙

  열역학 제0 법칙(zeroth law of thermodynamics)은 열적 평형 상태를 설명하는 법칙으로, 두 열역학계 A와 B가 열역학계 C와 각각 열평형 상태이면, A와 B도 열평형 상태라고 한다. 따라서 여러 계들 사이의 열역학적 평형이라는 관계는 추이적(transitive)이다.

열역학 제 1 법칙

제1법칙(The first law of thermodynamics)은 보다 일반화된 에너지 보존법칙의 표현이다.

정의

열역학 제1법칙은 내부 에너지( U)에 대한  기여도의 합으로 공식화 되는 경우가 많다(이하 싑게 표현함).

열역학적과정에서 시스템에 공급된 열(Q)의 일부는 외부에 일(W)을하고

나머지는 시스템내에 저장(저장에너지:△U)된다.

   Δ U = Q − W

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열역학 제 2 법칙

물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계에서 매 시각마다 계의 거시상태의 엔트로피를 고려하였을 때, 엔트로피가 더 작은 거시상태로는 진행하지 않는다는 법칙이다. 즉, "열은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다"와 같으며, "열역학 사이클에서 모든 열이 일로 변환될 수는 없다"와도 같다. 

 여기에는 열을 일로 변환하는 열기관에 대한 '켈빈 플랑크의 표현'과 냉동기나 열펌프에 대한 "클라우지스의 표현"이 있다.

클라우지우스의 정의

1854년, 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 저온의 물체에서 고온의 물체로 열을 전달시키는 것이 유일한 결과인 과정은 불가능하다고 서술했다.즉, 엔트로피는 고립계에서 항상 증가한다는 것이다.

  *  열을 물이라 하여 설명하면 낮은 위치에 있는 물은 저절로 높은 곳으로 이동할 수 없다.  즉 사람이나 펌프로 퍼올리는 일을해주어야 한다. 

열의 경우에도 외부에서 일(압축기)을 해주면 저온에서 고온으로 열을 퍼 올릴수 있다(냉동기와 열펌프).

켈빈-플랑크의 정의

켈빈 남작과 막스 플랑크는 열원으로부터 열을 전부 흡수하여 일로 바꾸는 과정은 불가능하며 열을 일로 전환하기 위해서는 반드시 열이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해야 한다고 했다.

* 이 정의는 "열효율이 100％인 열기관은 만들 수 없다" 라는 슬픈 표현이다.

열역학 제 3 법칙

물리학에서 열역학 제3법칙(third law of thermodynamics)은 엔트로피의 기본적인 개념과 관련되는 내용으로 다음과 같이 기술된다.

*     절대 영도에서 계의 엔트로피는 0이 된다.