1.1.1 열역학법칙(1) [원자력기사]

1.1    열역학법칙 

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원자력발전소는 원자로에서 발생한 열을 이용하여 증기를 생성하고, 증기는 터빈을 회전시켜 전기를 생성한다. 

따라서 원자력발전소를 이해하기 위해서는 열을 일로 변환시키는 열역학, 노심의 열을 원자력발전소 계통으로 전달하는 열전달 등에 대한 이해가 필요하다. 

본 절에서는 열역학법칙에 대해 간략하게 설명한다.

 

산업혁명에 따른 과학의 발전 중 가장 중요한 것은 열역학에 대한 확립이다. 

우리는 자연에서 열을 얻고 이 열을 활용하여 일을 한다. 

열역학은 ‘열’과 ‘힘-운동-일’의 관계에서 출발하며, 자연에서 일어나는 변화에서 얼마의 열과 일을 얻을 수 있는가 하는 것이 주된 관심사다.

그림 1.1-1 열의 전달

인류는 증기기관의 탄생으로 열은 일을 할 수 있는 힘으로 전환되는 것이 확인하였다. 

프랑스의 과학자 카르노(Carnot, 1796~1832)는 ‘일’을 어떤 물체를 높은 곳으로 올리는 것으로 정의하였다.

 

그는 열과 유용한 일(useful work) 간에는 측정 가능한 관계가 있음을 암시하면서 “열은 일을 하는 동력이며, 운동이 형태를 바꾼 것에 지나지 않는다”는 표현을 사용하였다. 

추후 이러한 법칙은 우주의 에너지가 보존된다는 열역학 제1법칙으로 발전하였다.

그림 1.1-2 증기기관차

증기기관은 열을 일로 전환시키는 일종의 열기관이다. 

카르노 시대에 사용되던 와트의 증기기관은 종전의 기관에 비해 효율이 월등히 높기는 하나, 열효율이 10% 이하였다. 

즉 생성되는 열에너지 중 약 90% 이상이 버려졌다. 

카르노는 ‘열기관의 효율을 얼마까지 높일 수 있는가’에 관심을 가졌고, 결국 1824년에 주어진 열을 일로 전환시키는 열기관의 효율에는 궁극적인 한계가 있음을 논증하였다. 

카르노는 한계 효율로 작동되는 열기관이 하나의 순환과정에서 방출한 열은 항상 흡수한 열보다 작으며(열이 일로 전환되었기 때문이다), 그 비는 항상 일정하고, 한계 효율이 있음을 보였다.

 

1850년에 클라우지우스(Clausius, 1822~1888)는 카르노의 논증과 줄의 실험 결과를 바탕으로, “외부에서 일을 가하지 않고는, 낮은 온도의 물체에서 높은 온도의 물체로 열을 이동시킬 수 없다. 

즉, 열은 자발적으로는 항상 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동한다”는 현재의 열역학 제2법칙을 제시하였다. 

이 법칙은 많은 사람들이 시도했던 영구기관이 불가능함을 보이는 것이다.