자연법칙 열역학 제1법칙, 에너지 보존 법칙, 제1종 영구기관

[혼인잔치]

열역학 제1법칙 [熱力學第一法則, the first law of thermodynamics] 
 
 
 
 
 
요약
역학적에너지계에만 국한해서 생각해 오던 에너지보존법칙을 열 현상에까지 확장한 법칙.
 
 
 
 
 
 
 
본문

열이 에너지의 한 형태라는 사실에 기초를 두어 이제까지 역학적에너지계에만 국한해서
생각해 오던 에너지보존법칙을 열 현상에까지 확장한 법칙이다. 즉, 열과 역학적에너지를 동등한 입장에서 다루며, 이 2가지 형태의 에너지를 합한 에너지의 보존법칙이다. 어떤 형태의 에너지가 다른 형태의 에너지로 바뀔 수는 있으나, 스스로 생성되거나 소멸되지는 않는 것을 말한다.

어떤 물질계가 한 상태에서 다른 상태로 변할 때, 그 사이에 얻어진 총 에너지는 외부에서 작용한 역학적 일 W와 외부에서 들어온 열량 Q의 합W＋Q와 같은데, 이 값은 초기상태와 나중상태만으로 결정되며 변화과정과는 상관없는 양이다. 이 W＋Q는 두 상태량의 차와 같으며, 이를 내부에너지라고 한다. 외부에서 열이 들어오지 않고 일도 받지 않았다면, 그 물질계의 에너지는 변하지 않는다. 따라서 물질계의 에너지를 감소시키지 않고 외부 일을 할 수 있는 장치인 제1종 영구기관의 제작은 불가능하다고 할 수 있다.
 
 
열역학 제1법칙과 제1종 영구기관 
 
 
 
 
 
본문

19세기 중반, 열의 본성에 관해 물리학에서 커다란 진보가 이루어졌다. J.R.마이어는 열과 운동의 연관을 논하였고, J.P.줄은 열의 일당량(當量)을 얻었으며, H.L.F.헬름홀츠는 이것을 ‘넓은 의미로의 힘’, 즉 에너지 원리의 형태로 체계화하였다. 이것은 ‘자연계의 에너지는 여러 가지로 그 모양을 바꾸고, 서로 전환하면서 그 전체는 일정하게 유지된다’고 하는 내용이다. 이것은 기체의 연구 등을 둘러싸고 내부에너지가 부가되는 등 여러 과정을 거쳐서, 열역학의 기초를 세우는 법칙이 되었는데, 이것이 열역학 제1법칙이다.

예를 들면, 전지의 발견 등을 통하여, 전자기적 작용으로부터 영구기관을 만들 수 있을 것인지 등의 견해도 있었지만, 연구가 진행됨에 따라 에너지보존법칙의 성립에 대해 더욱 풍부한 내용을 얻게 되었고, 확실한 것이 되어 갔다. 이 관점에서 보면 에너지는 그 형태를 어떻게 전환한다 해도 그 총량은 일정하고, 무(無)로부터 에너지는 발생하지 않으며, 교묘한 장치를 구상한다 하여도 그것은 결국 단순한 에너지변환계(變換系)에 지나지 않는다.

그러므로 영구기관은 에너지보존법칙의 열역학 제1법칙에 위배되는 것으로서, 부정되어야 하는 것으로 결론지어졌다. 이와 같은 의미에서 열역학 제1법칙에 위배되는 형태의 영구기관을 제1종 영구기관이라 한다.
 
 

에너지보존법칙 [law of energy conservation] 
 
 
요약
에너지는 그 형태를 바꾸거나 물체에서 물체로 옮기거나 해도 전체 양은 변함없다는 물리법칙. 
 
 
 
 
본문

열에서 기계힘을 얻고, 운동이 열로 바뀌고, 또 열로부터 빛이 생겨난다. 수력으로 발전을 일으켜서 전기에너지를 얻는다. 그 전기는 전열기로써 열로 바뀌고 모터로 동력으로 전환할 수 있다. 그런 현상은 밝혀졌지만 그 각각의 형태인 에너지의 상관관계는 좀처럼 밝혀지지 않았었다. 줄 등은 기계힘과 발생하는 열량을 정확하게 측정하였는데 그 결과로, 차츰 그들의 관계가 밝혀지고, 1842년 마이어에 의해 에너지 보존법칙이 확립되었다. 에너지는 열, 기계력, 전기, 빛, 운동 그리고 잠재하는 위치에너지로 모습을 바꾸더라도 그 양은 늘 일정하고 증감하는 경우가 없다. 그러므로 에너지는 무에서 탄생하는 경우도 없고 소멸되는 경우도 없다는 것이 밝혀진 것이다.

정리하면, 에너지는 그 전환 과정에서 한 형태의 에너지에서 다른 형태의 에너지로 전환될 뿐이며, 에너지 전환이 일어나기 전후의 에너지의 총합은 항상 일정하게 보존된다. 이것을 에너지 보존법칙이라고 한다. 물질 및 장(場)으로 이루어진 물리학적 체계에서 가장 기본적인 물리법칙 중 하나이다.

닫힌 계가 갖는 에너지의 총합은 어떤 물리화학적 변화가 일어나도 불변한다는 것을 의미하며, 외계에서 고립되어 서로 보존력을 미치고 있는 질점계가 가지는 전(全)에너지는 운동에너지 Σ(1/2)mv2(m은 질점의 질량, v는 속도)와 질점의 위치만으로 정해지는 위치(퍼텐셜)에너지의 합으로 표시한다. 즉, 중력이나 정전기력 등 물체(또는 대전입자)에 작용하는 힘이 물체의 위치만으로 정해지는 경우에는 그 물체의 위치에너지가 감소하면 그 몫만큼 운동에너지가 증가하고, 반대로 운동에너지가 감소하면 그 몫만큼 위치에너지로 저장되어 위치에너지와 운동에너지의 합은 늘 일정하게 유지된다.

역학적 에너지 범위 안에서의 이러한 관계를 역학적 에너지보존법칙이라 하며, 이 법칙이 성립하도록 힘이 작용하는 장소(중력장 ·정전기장 ·정자기장 등)를 보존력장이라고 한다. 한편, 상대성이론에 의하면 질량과 에너지의 동등성을 고려하는 데 따라서, 그리고 양자론에 의하면 반응이 일어나는 전후에 충분한 시간차를 두고 측정한 결과에 따라서 각각 에너지 보존법칙이 성립한다는 사실을 알 수 있다.