[열역학 1] 계와 기본용어 등

1.동작물질과 계

 

  1.1.동작물질 : 열기관에서 열을 일로 혹은 일을 열로 전환하는데 필요한 매게물질 // 작동물질

 

 

  1.2.계 (system) : 열역학에서 대상으로 하는 이들 물질의 한정된 공간

 

    1)개방계 : 계의 경계를 통해서 에너지와 물질 모두가 출입 가능한 계 // 열린계

 

    2)밀폐계 : 계의 경계를 통해서 에너지는 출입가능하나 물질은 출입 불가능한 계 

 

    3)절연계 : 계의 경계를 통해서 에너지와 물질 모두가 출입 불가능한 계 // 닫힌계, 고립계

 

 

  1.3.주위와 경계

 

    1)주위 : 계가 아닌 계주위의 부분

 

    2)경계 : 계와 주위를 구분짓는 한계

 

 

  1.4.정상류와 비정상류

 

    1)정상류 : 과정간의 계의 열역학적 성질이 시간에 따라 변하지 않는 흐름

 

    2)비정상류 : 과정간의 계의 열역학적 성질이 시간에 따라 변하는 흐름

 

 

  1.5.등류와 비등류

 

    1)등류 : 과정간의 열역학적 성질이 위치에 따라 변하지 않는 흐름

 

    2)비등류 : 과정간의 열역학적 성질이 위치에 따라 변하는 흐름

 

 

2.열역학적 성질(상태량)

 

  2.1.점함수(point function) 

   

      1)강도성질 : 질량과 무관한 성질 (온도 / 압력 / 밀도 등)

 

      2)종량성질 : 질량에 정비례하는 성질 (내부에너지 / 엔탈피 / 엔트로피 / 체적)

 

      3)비상태량 : 단위질량당의 종량성질 (비체적 / 비엔탈피 / 비엔트로피 / 비내부에너지)>강도성질처럼 취급

 

 

  2.2.경로함수:물질이 어느상태에서 다른 상태로 변화할 때 어느 과정을 택하느냐에 따라 값이 변하는 함수(일과 열)

 

 

  2.3.점함수와 경로함수의 미적분

 

    1)점함수의 미분연산자 : d    //   경로함수의 미분연산자 :  δ

 

    2)다음 그림과 같은 p-v 선도에서 계의 물질이 1번상태에서 2번상태로 변화하는 A,B,C 세가지 경우에 대하여 

 

      점함수인 압력과 부피는 1점과 2점에서 일정하지만 과정함수인 일량은 과정에 따라 다르다

 

   

경로에 따라 값이 달라지는 경로함수는 점함수처럼 표현할 수 없다

 

3.순환 (cycle)

 

  3.1.순환 : 물질이 한 상태에서 출발하여 여러과정을 거쳐서 원해의 상태로 돌아오는 과정

 

      1)한 순환과정에서 점함수의 사이클 적분은 0이다

 

      2)한 순한과정에서 경로함수의 사이클 적분은 0이 아니다

 

     3)다음 그림은  1->2->3->4->1 사이클에서 점함수와 경로함수의 사이클 적분값을 표시한 것이다

 

 

 

4.열역학적 과정 

 

 4.1.가역과정과 비가역과정

 

    1)가역과정 : 임의의 과정을 거쳐 다른 상태로 변화한 계가 주위에 아무런 변화도 남기지 않고 원래상태로 

 

                    돌아갈 수 있는 경우 이를 가역과정이라고 한다 // 이론상으로만 존재하는 과정이다

 

    2)비가역과정 : 가역과정이 아닌 과정을 비가역과정이라한다

 

 

  4.2.정압/정적/등온/단열 과정 등

 

    1)정압과정 : 압력이 일정한 상태로 변화하는 과정 (P = const // P1 = P2)

 

    2)정적과정 : 부피가 일정한 상태로 변화하는 과정 (V = const // V1 = V2)

 

    3)등온과정 : 온도가 일정한 상태로 변화하는 과정 (T = const // T1 = T2)

 

    4)단열과정 : 계의 열량이 일정한 상태로 변화하는 과정 (S=const//S1=S2//단, 열출입에 의한 엔트로피만 해당)

 

    5)폴리트로픽 과정 : 단열과정에서 몰비열비 대신 폴리트로픽 상수 n 사용//실제기관에 보다 가까운 해석이 가능

 

 

 

5.열평형과 온도

 

  5.1.열평형 : 두 물질의 열 전달이 일어나지 않는 다면 두 물질은 열평형 상태에 있다고 한다

 

    1)열역학 제0법칙 : 계A 와 계B가 열평형이고 계 계B와 계C가 열평형이면 계 A와 계C는 열평형 상태이다

 

    2)열이 높은곳에서 낮은곳으로 이동하는 것은 막을 수 없다 // 결국 어떠한 계는 열평형 상태로 변한다

 

 

  5.2.온도 : 뜨겁고 차가운 정도를 나타내는 물리량

 

    1)분자운동론에서의 온도 : 분자의 운동에너지에 비례하는 물질 (온도가 높을수록 분자의 운동이 활발하다)

 

    2)섭씨온도와 화씨온도 : 물의 어는점과 끓는점을 기준으로 한 온도단위계

 

      1.섭씨온도 : 물의 어는점을 0℃, 끓는점을 100℃로 하고 그사이를 100등분 한 온도단위계 // 단위 : ℃

 

      2.화씨온도 : 물의 어는점을 32℉, 끓는점을 212℉로 하고 그사이를 180등분한 온도단위계 // 단위 : ℉

 

      3.섭씨온도와 화씨온도의 전환 : ℉ = (℃ x 9/5) + 32

 

    3)절대온도 : 이론적인 최저온도 (기체의 부피가 0이되는 온도)인 절대영도를 기준으로 한 온도단위계

 

      1.켈빈온도 : 이론최저온도를 0K 으로 두고 눈금간격은 ℃와 같은 온도단위계  // 0℃ = 273K // 단위 : K(켈빈)

 

      2.랭킨온도 : 이론최저온도를 0R으로 두고 눈금간격은 ℉와 같은 온도단위계 // 0℉ = 460R // 단위 : R(랭킨) 

 

 

6.열량과 잠열

 

  6.1.열량 Q : 열의 양을 나타내는 물리량 // 단위 : kcal, Btu, Chu, J 등

   

    1)kcal : 킬로그람 칼로리//1kcal는 표준대기압 하에서 순수한 물 1kg을 14.5℃ 에서 15.5℃로 

 

              높이는 데 필요한 열량

 

    2)Btu : British Thermal Unit // 1Btu은 표준대기안 하에서 순수한 물 1lb를 32℉에서 212℉까지 

 

             올리는데 필요한 열량의 1/180이다.

 

 

  6.2.잠열 : 열을 가해도 온도가 변화하지 않는 구간에서 가해지는 열

 

    1)잠열구역 : 열을 가하거나 감하더라고 온도변화가 없는 구역

 

    2)물질의 상태가 변할 때 에너지를 흡수하거나 방출하기 때문에 잠열구역이 발생한다

 

    3)즉 잠열은 물질의 상태변화에 필요한 열에너지라고 할 수 있다