사 연표 교육 맥스웰의 열역학적 표면 에너지 분산으로서의 엔트로피 과학자 베르누이 카르노 클라페롱 클라우지우스 카라테오도리 뒤엠 깁스 헬름홀츠 줄 맥스웰 폰 마이어 온사게르 랭킨 스미튼 슈탈 톰슨 켈빈 남작 워터슨 분류 : 열역학 v. d. e. h 열역학 ( [UNK] 力 學, thermodynamics ) 은 에너지, 열, 일, 엔트로피와 과정의 자발성을 다루는 물리학의 분야다. 통계 역학과 밀접한 관계를 가지며, 그로부터 수많은 열역학 관계식을 유도할 수 있다. 물질이나 에너지를 서로 교환하는 여러 물리계 사이의 열역학적 과정을 다룰 때, 고전 열역학은 그 과정이 완료되는 시간이나 그 과정이 얼마나 빨리 일어나는지에 대해서는 관심을 갖지 않는다. " 열역학 " 이라는 용어 대신 평형 열역학이란 용어를 사용하며, 준정적 과정 ( quasi - static process ) 이라는 개념이 매우 중요하다. 준정적 과정은 " 매우 천천히 변하여 " 각 순간마다 " 평형상태 " 로 간주할 수 있는 이상적인 과정을 말한다. 비평형 열역학 ( non - equilibrium thermodynamics ) 에서 시간에 따라
변하여 " 각 순간마다 " 평형상태 " 로 간주할 수 있는 이상적인 과정을 말한다. 비평형 열역학 ( non - equilibrium thermodynamics ) 에서 시간에 따라 변화하는 열역학적 과정을 연구한다. 열역학 법칙은 매우 일반적인 법칙으로, 관찰하는 대상이나 물질 사이의 상호작용에 상관없이 항상 성립하는 법칙이다. 즉, 관찰하고자 하는 계와 이를 둘러싼 환경 사이에 에너지와 물질 교환이 평형을 이룬다는 사실만 확인되면 항상 적용할 수 있다. 이것에 대한 예로 20세기 초 아인슈타인이 예측한 자발 방출 ( spontaneous emission ) 과 현재 연구 중인 블랙홀 열역학이 있다. 목차 1 열역학의 역사 2 열역학 변수 3 열역학 퍼텐셜 4 열역학 계 5 열역학 법칙 5. 1 열역학 제0법칙 : 열적 평형의 추이성 5. 2 열역학 제1법칙 : 에너지 보존 5. 3 열역학 제2법칙 : 엔트로피의 증가 5. 4 열역학 제3법칙 : 절대 0도의 불가능성 6 열역학 법칙과 역학 7 예제 7. 1 카르노 기관 7. 2 온도만으로 기술되는 계 7. 3 온도와 압력만으로 기술되는 계 7.
S Vdp 위에 열거된 열역학 퍼텐셜들은 서로 무관한 양이 아니고 적절한 관계를 가지고 있다. 위의 열역학 퍼텐셜의 미분형을 합성함수의 미분을 사용하여 아래와 같은 관계식을 찾을 수 있다. E = H - P V = A T S { [UNK] displaystyle E = H - PV = ATS } A = E - T S = G - P V { [UNK] displaystyle A = E - TS = G - PV } G = A P V = H - T S { [UNK] displaystyle G = APV = H - TS } H = G T S = E P V { [UNK] displaystyle H = GTS = EPV } 위에 열거한 열역학 퍼텐셜과 열역학 변수 사이 관계식은 계에 상관없이 성립한다 ; 이 관계식은 계의 구성요소간 상호작용에 무관하게 통계 역학으로부터 자연스럽게 얻을 수 있는 일반적인 관계식이다. 하지만 계의 구성요소 사이의 상호작용이나, 양자역학적인 에너지 준위와 에너지 준위의 축퇴도 ( degeneracy ), 혹은 계의 분배함수를 모른다면, 위 네 가지 열역학 퍼텐셜은 계의 열역학 변수로만으로 완전히 표현할 수는 없다.
, 이것을 법칙으로 진술하게 된 것은 놀랍게도 열역학의 많은 부분이 완성된 후인 1930년대이다. 이미 열역학 1, 2, 3법칙이 확립되었기 때문에, 열역학의 가장 근본적인 이 개념은 자연스럽게 0법칙의 지위를 얻게 되었다. 여전히 열역학 제0법칙의 지위에 대한 논의가 이루어지고 있다. [ 출처 필요 ] 열역학적 평형은 열적 평형 ( 열교환과 온도와 관계 ) 과 역학적 평형 ( 일교환과 압력 같은 일반화된 힘과 관계 ) 과 화학적 평형 ( 물질교환과 화학퍼텐셜과 관계 ) 을 포함한다. 요약 : A와 B가 열평형을 이루고 있고, B와 C가 열평형을 이루고 있다면, A와 C도 서로 열평형을 이룬다. 열역학 제1법칙 : 에너지 보존 [ 편집 ] 열역학 제 1 법칙에 따르면, 단열 과정에서 일교환은 과정 ( process ) 의 구체적인 형태에 상관없이 초기 상태와 최종 상태에만 관계한다. 단열과정에서는 열이동이 없기 때문에, 이것은 에너지 보존 법칙과 동등한 진술이다. 이 법칙은 단열과정하에서 계의 에너지 이동은 계가 한 일 혹은 계에 한 일밖에 없음을 의미한다.
iabatic boundary ) : 열교환이 일어나지 않는다, T d S = 0 { [UNK] displaystyle TdS = 0 } 단단한 경계 ( rigid boundary ) : 일 교환이 일어나지 않는다, p d V = 0 { [UNK] displaystyle pdV = 0 } 열린 계 ( open system ) : 에너지 ( 열과 일 ), 물질 모두 환경과 교환하는 계이다. 이런 경계는 투과성 있는 ( permeable ) 경계라 한다. 바다는 열린 계로 간주할 수 있다. 현실적으로 환경으로부터 완전히 분리된 엄밀한 고립계는 존재할 수 없다. 왜냐하면 아무리 환경과 계 사이의 결합을 제거하더라도 중력은 제거할 수 없기 때문이다. 정상상태의 계에서 빠져나가는 에너지와 들어오는 에너지는 같다. [ 1 ] 주어진 일련의 조건 하에서 평형상태의 계는 정의된 상태 ( definite state ) 라고 한다. 계의 상태는 여러 세기 변수 ( intensive variables ) 와 크기 변수 ( extensive variables ) 로 기술된다. 계의 특성은 이 변수들 사이의 관계를 정해주는 상태 방정식 ( equation of state ) 로 기술된다. 열역학 법칙 [ 편집 ] 이 부분의 본문은 열역학 법칙
열역학 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전 열역학 위키백과, 우리 모두의 백과사전. 둘러보기로 가기 검색하러 가기 열역학 계의 예. 열전달에 의해 피스톤 운동을 하는 기관. 열 역 학 고전적 카르노 기관 분과 고전열역학 통계역학 화학열역학 평형열역학 / 비평형열역학 법칙 열역학 제0법칙 열역학 제1법칙 열역학 제2법칙 열역학 제3법칙 계 상태 상태방정식 이상기체 실제 기체 물질의 상태 열역학적 평형 공제부피 과정 등압과정 등적과정 등온과정 단열과정 등엔트로피 과정 등엔탈피 과정 준정적과정 다방과정 자유팽창 가역과정 비가역과정 내적가역성 순환 열기관 냉난방 순환 열효율 계의 성질 비고 : 기울임꼴로 된 것들은 공액변수이다. 열역학도 세기 성질과 크기 성질 상태함수 온도 / 엔트로피 ( 개론 ) 압력 / 부피 화학적 퍼텐셜 / 입자수 증기량 대비성질 과정함수 일 열 물성 순수 물질의 열역학적 데이터베이스 비열용량 c = { [UNK] displaystyle c = } T { [UNK] displaystyle T } [UNK] S { [UNK] displaystyle [UNK]
가 온도만의 함수이므로, 헬름홀츠 자유 에너지 F = U - TS를 정의해서 사용할 수 있다. 온도와 압력만으로 기술되는 계 [ 편집 ] 대부분의 " 순수한 " 비자성물질은 이 범주에 속한다. 이러한 계의 상태는 정렬된 상 ( ordered phase ) 에서 상전이나 자발적인 대칭성 파괴가 없다면 온도와 압력만으로 완전히 기술할 수 있다. U와 V ( 혹은 밀도 [UNK] ) 가 T와 P의 함수로 주어진다면, 우리는 헬름홀츠 자유 에너지 F = U - TS와 기브스 자유 에너지 G = U - TS PV와 엔탈피 H = U PV를 정의할 수 있다. 온도와 압력, 화학 퍼텐셜으로 기술되는 계 [ 편집 ] 원자 / 분자가 한 종류 이상 있다면, 이 범주에 속한다. 이러한 계의 상태는 온도와 압력, 화학 퍼텐셜로 기술할 수 있다. 여기서도 정렬된 상의 상전이나 자발적인 대칭 파괴가 없을 때만 3가지 양으로 기술할 수 있다. 온도와 자기장으로 기술되는 계 [ 편집 ] 다루고자 하는 물질이 강자성이나 초전도성을 띠면, 이 범주에 속한다. 이러한 계는 온도와 자기장만으로 완전히 기술된다. 이 경우도 상전이나 자발적인 대칭 파괴가 없을 때이다. 같이
고유한 특징으로 상수값을 지닌다. 열에너지를 빨리 전달하는 물질일수록 좋은 열전도체로서 k값이 크다. 요약 : 고립계의 에너지총합은 일정하다 열역학 제2법칙 : 엔트로피의 증가 [ 편집 ] 열역학 제2법칙에 따르면, " 열원 ( reservoir ) 으로부터 양의 열에너지를 뽑아서 모두 일로 전환하되, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정 ( cycle ) 은 존재하지 않는다. " ( Kelvin - Planck 진술 ) 다시 말해, 열적으로 고립된 거시계의 엔트로피는 절대 감소하지 않는다 ( 맥스웰의 도깨비 참고 ). 하지만 미시계에서는 제2법칙이 진술하는 것과 반대로 행동하는 엔트로피의 요동 ( fluctuation ) 이 있다 ( 요동 정리 ( Fluctuation Theorem ) ( Fluctuation Theorem ) ). 사실, 가역 동역학 ( time - reversible dynamics ) 와 인과율의 공리 ( Axiom of Causality ) 로부터 요동 정리를 수학적으로 증명할 수 있고, 이것이 제2법칙의 증명이 되겠다. 논리적으로 제2법칙은 물리학의 " 법칙 " 이라기 보다, 매우 큰 계 혹은
} 통계적 변수 : 온도 : T { [UNK] displaystyle T } 엔트로피 : S { [UNK] displaystyle S } 계를 구성하는 입자의 수가 일정하지 않은 열린 계 ( open system ) 에서는 다음과 같은 두 가지 변수를 더 생각한다. 계의 입자 수 N { [UNK] displaystyle N } 화학 퍼텐셜 ( chemical potential ) [UNK] { [UNK] displaystyle [UNK] mu } 위에 열거된 역학적 변수들은 근본적인 고전 물리학 혹은 양자 물리학으로 기술할 수 있지만, 통계적인 변수는 오로지 통계 역학으로만 이해할 수 있다. 열역학이 적용되는 대부분의 경우에, 하나 이상의 열역학 변수는 변하지 않는 상수로 간주되고, 나머지 변수들만 변하게 된다. 수학적으로, 이것은 계의 상태를 n - 차원 공간의 한 점으로 대응시켜 기술할 수 있다. 여기서 n은 상수가 아닌 변수의 개수이다. 통계 역학을 고전 물리학이나 양자 물리학과 결합하여, 이들 변수들 사이의 관계식을 나타내는 상태 방정식을 유도할 수 있다. 가장 간단하고 가장 중요한 상태 방정식은 바로 이상 기체의 상태 방정식이다. p V = n R T { [UNK] displaystyle pV = nRT } 여기서 R { [UNK] displaystyle R }
) 로 기술된다. 계의 특성은 이 변수들 사이의 관계를 정해주는 상태 방정식 ( equation of state ) 로 기술된다. 열역학 법칙 [ 편집 ] 이 부분의 본문은 열역학 법칙입니다. 열역학에는 네가지의 근본적인 법칙이 있다. 이 사법칙은 여러 가지의 서로 동등한 방법으로 기술할 수 있다. 열역학 제0법칙 : 열적 평형의 추이성 [ 편집 ] 열역학 제 0 법칙에 따르면, 만약 계 A와 계 B가 접촉하여 열역학적 평형상태를 이루고 있고 계 B와 계 C가 접촉하여 열역학적 평형상태를 이루고 있다면, 계 A와 계 C가 접촉하여도 열역학적 평형을 이룬다. 두 계가 접촉하였을 때 열역학적 평형을 이루지 못한다면, 두 계 사이에 에너지나 물질의 알짜이동이 있다. 서로 열역학적 평형을 이루고 있는 두 계는 나중에 다시 접촉하였을 때도 평형을 이룬다. 열역학 제0법칙은 열역학의 근본적인 개념이지만, 이것을 법칙으로 진술하게 된 것은 놀랍게도 열역학의 많은 부분이 완성된 후인 1930년대이다. 이미 열역학 1, 2, 3법칙이 확립되었기 때문에, 열
열역학(熱力學, thermodynamics)은 에너지, 열, 일, 엔트로피와 과정의 자발성을 다루는 물리학의 분야다. 통계 역학과 밀접한 관계를 가지며, 그로부터 수많은 열역학 관계식을 유도할 수 있다. 물질이나 에너지를 서로 교환하는 여러 물리계 사이의 열역학적 과정을 다룰 때, 고전 열역학은 그 과정이 완료되는 시간이나 그 과정이 얼마나 빨리 일어나는지에 대해서는 관심을 갖지 않는다. "열역학"이라는 용어 대신 평형 열역학이란 용어를 사용하며, 준정적 과정(quasi-static process)이라는 개념이 매우 중요하다. 준정적 과정은 "매우 천천히 변하여" 각 순간마다 "평형상태"로 간주할 수 있는 이상적인 과정을 말한다. 비평형 열역학(non-equilibrium thermodynamics)에서 시간에 따라 변화하는 열역학적 과정을 연구한다. 열역학 법칙은 매우 일반적인 법칙으로, 관찰하는 대상이나 물질 사이의 상호작용에 상관없이 항상 성립하는 법칙이다. 즉, 관찰하고자 하는 계와 이를 둘러싼 환경 사이에 에너지와 물질 교환이 평형을 이룬다는 사실만 확인되면 항상 적용할 수 있다. 이것에 대한 예로 20세기 초 알베르트 아인슈타인이 예측한 자발 방출(spontaneous emission)과 현재 연구 중인 블랙홀 열역학이 있다.