열역학적 과정
열(Q)은 온도 차이로 인해 한 물체에서 다른 물체로 이동하는 에너지입니다. 시스템과 환경의 경우, 열은 온도 차이로 인해 시스템에서 환경으로 또는 환경에서 시스템으로 이동하는 에너지입니다. 시스템 온도가 주변 온도보다 높으면 열은 시스템에서 환경으로 흐릅니다. 반대로 주변 온도가 시스템 온도보다 높으면 열은 환경에서 시스템으로 흐릅니다.
열(Q)은 온도 차이로 인해 이동하는 에너지이고, 일(W)은 일을 통해 전달되는 에너지와 관련이 있습니다. 예를 들어, 시스템이 환경에 일을 하면 에너지는 시스템에서 환경으로 이동합니다. 반대로, 환경이 시스템에 일을 하면 에너지는 환경에서 시스템으로 이동합니다.
내부 에너지와 열역학 제1법칙
시스템의 내부 에너지(U)는 시스템 내 모든 분자의 운동 에너지와 시스템 내 분자 간 상호작용으로 발생하는 모든 위치 에너지의 합입니다. 만약 외부 환경에서 시스템으로 열이 유입되면(시스템이 에너지를 받으면), 시스템의 에너지는 증가합니다. 반대로, 시스템이 외부 환경에 일을 하면(시스템이 에너지를 방출하면), 시스템의 에너지는 감소합니다.
에너지 보존 법칙에 따라 시스템의 내부 에너지 변화는 시스템에 열이 추가되는 것(시스템이 에너지를 받는 것)에서 시스템이 한 일(시스템이 에너지를 방출하는 것)을 뺀 값과 같습니다.
ΔU = 내부 에너지 변화, Q = 열, W = 일
내부 에너지는 시스템의 미시적 양이므로 그 값을 알 수 없습니다. 하지만 시스템에 가해지는 에너지와 시스템에서 열과 일의 형태로 방출되는 에너지를 통해 내부 에너지의 변화를 알 수 있습니다. 이와 대조적으로 온도(T), 압력(p), 부피(V), 질량(m) 또는 몰수(n)와 같은 거시적 양은 알려져 있습니다.
열과 일은 시스템과 환경 사이의 에너지 전달 과정에만 관여합니다. 열과 일은 시스템의 상태를 나타내는 물리량이 아닙니다.
열(Q) 및 일(W)에 대한 신호 규칙
열과 일에 대한 부호 규칙은 열역학 제1법칙 방정식에 맞춰 조정됩니다. 위 방정식에서 열(Q)은 시스템에 가해지는 열(Q는 양수)이고, 일(W)은 시스템이 하는 일(W는 양수)입니다. 열이 시스템에서 빠져나가면 Q는 음수이고, 시스템에 일이 가해지면 W는 음수입니다.
예 1 :
시스템에 2000줄의 열이 가해지고 시스템이 1000줄의 일을 한다면 시스템의 내부 에너지는 얼마나 변할까요?
해법
ΔU = Q – W = 2000 – 1000 = 1000 줄.
이 시스템은 2000줄의 열을 흡수하고(시스템이 에너지를 받음), 1000줄의 일을 합니다(시스템이 에너지를 방출함). 따라서 시스템의 에너지 변화량은 1000줄입니다.
예 2 :
시스템에서 2000줄의 열이 빠져나갑니다. 시스템은 1000줄의 일을 합니다. 시스템의 내부 에너지 변화를 계산하세요.
해법
시스템이 열을 방출하면 Q는 음수가 됩니다.
ΔU = Q – W = -2000 – 1000 = -3000 줄.
이 시스템은 2000 줄의 열을 방출합니다. 또한 1000 줄의 일을 합니다(시스템 방출 에너지). 따라서 시스템의 내부 에너지는 3000 줄 감소합니다.
예 3 :
시스템에 2000줄의 열이 가해지고, 시스템에 1000줄의 일이 수행되었습니다. 시스템의 내부 에너지 변화를 계산하십시오.
해법
시스템에 일이 가해졌으므로 W는 음수입니다.
Δ U = Q – W = 2000 – (-1000) = 3000 줄.
시스템의 내부 에너지가 3000줄 증가한다.
