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네가 나를 길들인다면 나는 너에게 이세상에서 오직 하나밖에 없는 존재가 될 꺼야 -어린왕자 중에서-
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열역학법칙 (熱力學法則 law of thermodynamics)
0법칙: 물체 A와 B의 온도가 같고 B와 C의 온도가 같으면 A와 C의 온도도 같다.
1법칙: 에너지 보존의 법칙. 즉,에너지는 새로 만들어지거나 없어지지 않는다.
2법칙: 에너지는 높은데서 낮은데로 움직인다.
3법칙: 절대온도 0K면 에너지 이동은 없다. 다시 생각하면 온도는 0K 밑으로는 내려갈수 없다.


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물리학 용어. 열과 관계된 여러 가지 현상을 취급하는 보편적인 이론체계인 열역학은 열평형상태와 경험적 온도에 관한 열역학제0법칙, 에너지보존법칙인 열역학제1법칙, 열현상의 비가역성에 대한 열역학제2법칙, 그리고 절대영도에서의 상태에 관한 열역학제3법칙을 기본법칙으로 하는데, 이들 4가지 법칙을 통틀어서 열역학법칙이라고 한다. 열의 본성은 물체를 구성하는 전자나 원자핵과 같은 미시적 입자의 운동에서 구하지만, 열역학법칙은 거시적 수준에서의 열현상에 관계되며 물체의 미시적 구조와는 관계없이 엄밀하게 또한 일반적으로 성립하는 법칙이다.

열역학 제0법칙
외계로부터 고립시켜 물체를 방치해 두면 아무 변화도 일어나지 않는 상태가 된다. 이 상태를 열평형상태라 한다. 2개의 물체를 접촉시키면 처음에는 한쪽에서 다른 쪽으로 열의 이동이 생기는데, 오랜 시간이 흐르면 결국 아무 변화도 일어나지 않게 된다. 이때 두 물체는 서로 열평형에 있다고 한다. 열평형에 있는 두 물체 사이에서는 열의 주고받기가 상쇄된다. 열평형에 관하여 <물체 A와 B가 열평형에 있고 B와 C가 열평형에 있으면 A와 C도 열평형에 있다>라는 법칙이 성립된다. 이 법칙은 열역학의 체계가 만들어진 후에 J.C. 맥스웰이 기본법칙의 하나로 정했기 때문에 열역학제0법칙이라고 한다. 열역학제0법칙에 의해 경험적 온도를 생각할 수 있게 되어 온도계의 사용이 가능해졌다. 즉, 물체 B를 물체 A와 열평형상태로 한 후에 물체 C와 접촉시켰을 때 B에 어떤 변화도 인정되지 않는 경우 A와 C는 같은 온도에 있다고 한다. 이때 B는 온도계의 역할을 하게 되며, 변화의 유무는 예를 들면 수은주의 높이로 측정한다.

열역학 제1법칙
물리학의 가장 기본적인 법칙의 하나는, 어떠한 물리적 변화에서도 그것과 관계되는 모든 물체가 지닌 에너지의 합은 불변이라는 에너지보존법칙이다. 열역학제1법칙은 이 에너지보존법칙에 해당되는데, 특히 열이 에너지변화의 한 형태라는 것을 명시하여 다음과 같이 서술한다. <물체를 어떤 정해진 상태에서 다른 정해진 상태로 옮기기 위해 외계에서 물체에 주어야 하는 열량 와 일 의 합 는 어떠한 방법에 의해서도 일정하다.> 즉, 상태 a에서 b로의 변화에 필요한 전체에너지 는 최초의 상태 a, 최후의 상태 b만으로 정해지며, 그 과정과는 관계없다. 여기서 역학적에너지·전자기적에너지·화학적에너지 등을 총칭하여 일이라고 한다. 또 물체가 외계에 열이나 일을 주는 경우에는 그 양은 (-)값을 취하는 것으로 한다. 만약 제1법칙이 성립하지 않는다고 하면 a → b라는 상태변화와 그 역변화 b → a를 다른 과정에서 일으킴으로써 무(無)에서 에너지를 만들어낼 수 있다. 즉 무에서 에너지를 만들어내는 장치인 제1종영구기관이 가능해 진다. 따라서 제1법칙을 <제1종영구기관은 불가능하다>라고 표현할 수 있다. 열역학제1법칙은 19세기 중엽에 B.T. 럼퍼드·J.P. 줄·J.R. 마이어·H.L.F. 헬름홀츠에 의해 확립되었다.

열역학 제2법칙
역학에서 취급하는 운동은 모두 가역인데, 가역이란 어떤 운동이 가능하면 그것을 반대방향으로 진행시키는 운동도 가능한 것을 뜻한다. 그러나 아주 많은 입자로 구성된 거시적 물체에서는 변화가 일정한 방향으로만 진행되고 그 역변화는 생기지 않는 경우가 많다. 운동은 마찰에 의해 감쇠되어 열이 발생하지만 그 역변화는 일어나지 않는다. 또한 잉크를 물 속에 떨어뜨리면 확산되지만 자연히 모이는 일은 없다. 이같은 변화를 비가역변화라고 한다. 열역학제2법칙은 자연계에 생기는 열현상이 어떤 방향으로 진행하는가를 서술한 것이다. 서로 동등한 열역학제2법칙에 대한 표현방법이 몇 가지 있는데, 그 중 대표적인 2가지는 다음과 같다. 하나는 <열은 고온에서 저온으로 이동한다>라는 표현이다. 즉 열의 이동은 비가역적이므로, 저온에서 고온의 물체로 열을 운반하면서 그 이외에는 어떤 변화도 남기지 않는 역과정은 불가능하다. 이것은 R.J.E. 클라우지우스의 표현이다. 또 하나는 켈빈(본명 W. 톰슨)의 표현으로, <일이 열이 되는 과정은 비가역적이다>라는 것이다. 따라서 그 역과정을 행하는 장치, 즉 열원에서 열을 받아 그것을 모두 일로 바꾸면서 그 이외에는 어떤 변화도 남기지 않고 원래상태로 되돌아가는 장치인 제2종영구기관은 불가능하다. 제2종영구기관이 열역학제1법칙에 어긋나지 않는 점에 주의해야 한다. 만약 제2종영구기관이 가능하다면 대기나 바닷물에서 열을 취해서 전력으로 바꿀 수 있으므로, 특별히 석유를 연소시키거나 핵반응을 일으켜 높은 온도를 만들지 않아도 발전할 수 있게 된다. 그러나 우리 경험에 의하면 현실적으로 이런 일은 있을 수 없으므로 열역학제2법칙이 보편적으로 성립한다고 할 수 있다. 열을 일로 바꾸기 위해서는 반드시 고온의 열원과 저온의 열원이 필요하며, 열의 일부를 저온열원에 버려야 한다. 열역학제2법칙은 당연한 것을 설명하는 것처럼 생각되지만, 열역학제1법칙과 짜맞추면 열역학체계가 그 위에 전개된다. 그 첫단계가 절대온도 및 엔트로피의 도입이다. 엔트로피는 내부에너지와 마찬가지로 상태량, 즉 물체의 정해진 열평형상태에서 정해진 값을 취하는 양이다. 이 엔트로피라는 양을 사용하면 열역학제2법칙은, 외계로부터 고립된 물체의 계(系)에서 생기는 변화에서는 계 전체의 엔트로피는 반드시 증가한다는 엔트로피증가의 원리로 나타내진다. 열평형상태에 있는 물체에 외부의 열원에서 미소한 열량 를 주었을 때, 그 물체의 엔트로피 /만큼 변화한다. 여기서 는 문제가 되는 상태의 절대온도이다. 온도 <의 두 물체 1, 2를 접촉시켜 의 열을 1에서 2로 이동시키면 두 물체의 엔트로피 변화의 합은
//1/-1/
과 같다. >이므로 이 값은 반드시 양(陽)이다. 즉, 열이 고온에서 저온으로 이동할 때 엔트로피는 반드시 증가한다. 열역학제2법칙은 1820년 무렵의 N.L.S. 카르노의 열기관에 관한 선구적 연구를 기초로 클라우지우스·켈빈에 의해 기본법칙으로 인식되었다.

열역학 제3법칙
열역학제2법칙에서 정해지는 것은 물체의 2개의 열평형상태에서의 엔트로피값의 차(差)이다. 예를 들면 일정한 양의 기체를 임의의 열평형상태에서 온도와 압력이 다른 상태로 옮겼을 때 엔트로피의 변화량이 정해진다. 따라서 상수만의 임의성이 남게 되며, 특히 절대영도에서의 물체의 엔트로피값이 문제가 된다. 열역학제3법칙은 일반적으로 물체가 지닌 엔트로피는 온도가 0K에 가까워지면 0이된다는 것을 주장한다. W.H. 네른스트는 기체·액체 등의 열적 성질을 상세히 연구하여 1906년에 발표한 논문에서, 절대영도에 가까워지면 어떠한 변화에서의 엔트로피변화도 0과 같아진다는 정리를 제출했다. 열역학제3법칙은 이 네른스트의 정리를 M.K.E.L. 플랑크가 정밀화한 것으로, 네른스트의 열정리 또는 네른스트-플랑크의 열정리라고도 한다.

통계역학에 의한 기초의 확립
물질의 미시적 구조에 관하여 전자나 원자핵의 운동에서 물체의 열적 성질을 밝히려는 통계역학이, 열역학성립 후인 20세기가 되어 확립되었다. 열역학에 관한 여러 법칙도 통계역학의 입장에서 기초가 이루어진다. 열역학제1법칙은 에너지보존법칙이며 미시적 수준에서의 어떠한 물리적 과정에서도 성립되므로 문제가 되지 않는다. 열역학제2법칙에 관해서는 L.E. 볼츠만이 1870년대에 실시한 일련의 연구에 의해 엔트로피의 통계역학적 의미를 밝혀냈다. 내부에너지·온도·부피·압력 등으로 지정되는 거시적 상태의 엔트로피는 그 거시적 상태에 대응하는 미시적 상태의 수 의 로그(log)로 주어진다. 즉, 엔트로피라는 양은 미시적으로 볼 때 거시적 상태에 존재하는 무질서, 예를 들면 원자의 운동 또는 배열의 무질서도를 나타낸다. 따라서 열역학제2법칙은 더욱 무질서도가 큰 방향으로 거시적인 물체의 변화가 일어난다는 것을 의미한다. 열역학제3법칙은 절대영도가 되면(언제나 열평형 상태로 접근하면) 일반적으로 물체의 상태는 미시적으로 보아도 일정하다. 즉 무질서도가 없어진다는 것을 주장한다. 예를 들면 상압하에서는 헬륨을 제외한 모든 물질은 0K에서 완전한 결정, 즉 원자가 규칙적으로 정렬된 상태로 된다. 일반적으로 열역학제3법칙은 양자역학에 의해 그 기초가 이루어졌다.
by 질리언 | 2008/11/08 22:28 | Common Sense | 트랙백 | 덧글(0)
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