온도#
온도는 물체의 차갑고 뜨거운 정도를 수치로 나타낸 물리량이다.
- 섭씨온도(
): 1기압에서 물의 어는점 와 끓는점 를 정하고, 그 사이를 100등분하여 간격으로 눈금을 나타낸 온도이다. - 절대온도(
): 섭씨온도와 눈금 간격은 같지만, 기준을 열역학적 최저 온도인 로 정한 온도이다. 절대온도에서 는 이다.
절대온도의 단위는 켈빈
섭씨온도와 절대온도 사이의 관계는 다음과 같다.
: 절대온도 : 섭씨온도
기체 분자의 평균 운동 에너지는 절대온도에 비례한다.
열의 이동#
열은 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동한다.
열의 평형 상태는 두 물체 사이에 열의 이동이 더 이상 일어나지 않는 상태이다.
열평형 상태에서는 두 물체의 온도가 같다.
이상 기체#
이상 기체는 분자의 부피를 무시할 수 있고, 분자끼리 충돌하는 동안 에너지 손실이 없는 기체이다.
이상 기체에서는 기체 분자의 운동 에너지가 기체의 에너지와 관련된다.
압력
압력은 단위 면적에 작용하는 힘이다.
: 압력 : 힘 : 면적
압력의 단위는 파스칼
내부 에너지
내부 에너지는 기체 분자의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 총합이다.
이상 기체에서는 기체 분자 사이의 퍼텐셜 에너지를 0으로 본다.
따라서 이상 기체의 내부 에너지는 기체 분자의 운동 에너지의 총합과 같다.
이상 기체의 내부 에너지는 기체 분자의 평균 운동 에너지와 관련되고, 평균 운동 에너지는 절대온도에 비례한다.
따라서 이상 기체의 내부 에너지는 절대온도에 비례한다.
기체가 하는 일#
기체가 열을 흡수하면 기체의 부피가 증가하면서 외부에 일을 할 수 있다.
예를 들어 피스톤 내부의 이상 기체가 열을 흡수하면, 기체가 팽창하면서 피스톤을 밀어내는 일을 한다.
피스톤의 단면적을
압력은 다음과 같다.
따라서 힘은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
이를 일의 식에 대입하면 다음과 같다.
이때 부피 변화량은 다음과 같다.
따라서 기체가 한 일은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
: 기체가 한 일 : 기체의 압력 : 기체의 부피 변화량
열역학 제1법칙#
열역학 제1법칙은 기체의 내부 에너지 증가량이 기체가 흡수한 열량에서 기체가 외부에 한 일의 양을 뺀 값과 같다는 법칙이다.
이를 정리하면 다음과 같다.
: 기체가 흡수하거나 방출한 열량 : 기체의 내부 에너지 변화량 : 기체가 외부에 한 일
| 구분 | |||
|---|---|---|---|
| 열 흡수 | 열 방출 | 단열 | |
| 온도 상승 | 온도 하강 | 등온 | |
| 기체가 외부에 일을 함 | 기체가 외부로부터 일을 받음 | 등적 |
열역학 제2법칙#
열역학 제2법칙은 자연 현상의 대부분이 비가역 과정으로 일어난다는 법칙이다.
비가역 과정은 한 번 일어난 변화가 저절로 처음 상태로 되돌아가기 어려운 과정이다.
열역학 제2법칙의 대표적인 내용은 다음과 같다.
- 열은 저절로 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동한다.
- 에너지는 여러 형태로 전환될 수 있지만, 최종적으로는 열에너지의 형태로 전환되는 경우가 많다.
- 열에너지를 모두 일로 바꾸는 것은 불가능하다.
열기관#
열기관은 열에너지를 일로 바꾸는 장치이다.
열기관은 고열원에서 열을 흡수하고, 그중 일부를 일로 바꾼 뒤, 나머지 열을 저열원으로 방출한다.
: 고열원에서 흡수한 열량 : 열기관이 한 일 : 저열원으로 방출한 열량
열기관에서 에너지 관계는 다음과 같다.
따라서 열기관이 한 일은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
열기관의 열효율은 흡수한 열량 중 일로 전환된 비율이다.
실제 열기관에서는 흡수한 열량을 모두 일로 바꿀 수 없다.
따라서 열기관의 열효율은 항상 1보다 작다.