1.1.1 열역학법칙(2) [원자력기사]

1.1.1    열역학법칙(2)

원자력 발전은 연료의 핵분열 에너지에서 발생한 열을 이용하여 터빈을 돌려 전기를 생산하는 것이며, 자동차 동력은 연료의 연소에서 발생하는 열을 이용하여 자동차를 움직인다.

그림 1.1.1-1 자동차 엔진

열역학 법칙에 따르면 열을 일로 바꾸는 것에는 한계효율이 있고, 이는 대부분 50% 이하이다. 

즉, 연소시 방출되는 에너지의 반 이상은 사용되지 못하고 버려진다. 

열역학법칙은 이러한 내용을 학문화 하고 법칙을 도출한다. 

열역학 법칙은 제 0법칙, 제1법칙, 제2법칙, 제3법칙과 같이 4개의 법칙으로 구성된다.

 

① 열역학 제0법칙 (Zeroth law of thermodynamics)

열역학 제0법칙은 열적 평형 상태를 설명하는 법칙으로, 만약 두 계 A와 B가 세 번째 계 C와 각기 열평형 상태에 있다면, 즉, A와 C, 그리고 B와 C가 각각 열평형을 이룬다면, 두 계 A와 B도 마찬가지로 서로 열평형 상태에 있다는 법칙이다.

 

이 법칙은 열역학 제1법칙, 제2법칙이 발견된 후 발견되었다. 

하지만 열역학 제1법칙 등을 설명하기 위한 법칙이므로 논리적으로 앞서기 때문에 열역학 제0법칙이라 했다. 

온도라는 개념이 두 법칙의 기본이므로 온도가 유효한 개념임을 정립하는 법칙을 제0법칙으로 명명한 것이다.

② 열역학 제1법칙(First law of thermodynamics)

열역학 제1법칙은 어떤 고립된 계의 총 에너지는 일정하다는 법칙이다. 

만약 두 열역학적인 계가 서로 접촉하고 있는 경우에, 두 계를 하나로 묶어 전체를 고립계로 간주할 수 있다. 

한 계로 전달된 에너지의 총합은 그 계의 내부에너지의 증가량과 같아야 함을 알 수 있다. 

이를 이용해 열역학제일법칙을 다르게 표현하면, 계에 전달된 에너지의 총합은 계의 내부에너지의 변화량과 같다는 것이다. 즉, 에너지보존법칙이다.

 

③ 열역학 제2법칙(Second law of thermodynamics)

고립된 계의 엔트로피는 항상 증가하는 방향으로 일어난다는 법칙이다. 

이때, 엔트로피란 물질의 열역학적 상태를 나타내는 물리량 중 하나로 계에서 에너지의 흐름을 설명할 때 사용되는 상태함수이다. 

우리에게 익숙한 엔트로피의 개념은 무질서도 이다. 

에너지 간 변환에는 어떤 자발적인 방향이 있다는 것이 오래전부터 경험적으로 알려져 왔다. 

쉬운 예로 마찰로 발생하는 열에너지는 발생하면서 흘어지지만, 그 열에너지들이 스스로 마찰하여 물체의 운동에너지나 내부셜에너지 형태로 변환되지는 않는다. 

이러한 방향성을 설명하기 위해서 독일의 물리학자이자 수학자인 클라우지우스(R. Clausius, 1822~1888)가 엔트로피 개념을 고안하였으며, 엔트로피의 도입과 더불어 열역학제이법칙이 성립되었다. 

이후 계에서 흡수한 열로 순환 과정을 하면서 흡수한 열과 같은 양의 일을 하는 것은 불가능하다고 설명하였다.

 

이 법칙은 어떤 이론적 추론을 통해 성립된 법칙이 아니며, 순수하게 경험에서 나온 법칙이지만, 열역학의 가장 중요한 기본 법칙 중 하나이다. 

오랜 시간 동안 경험을 통해 성립된 법칙이기 때문에 이 법칙을 표현하는 방식은 다양하다.

④ 열역학 제3법칙(Third law of thermodynamics)

절대온도 0도에서는 엔트로피가 0 이라는 법칙이다. 

엄밀히 표현하자면, 열역학과정에서의 엔트로피의 변화 ΔS는 절대온도 T가 0으로 접근할 때 일정한 값을 갖고, 그 계는 가장 낮은 상태의 에너지를 갖게 된다는 법칙이다. 

이 법칙에 의하면 절대영도에서 열용량은 0이 된다.

역사적으로 보면 이 법칙은 독일의 물리학자이자 화학자인 네른스트(W. Nernst, 1864-1941)가 1905년 확립한 절대온도 0 도는 도달할 수 없다는 정리에서 시작한다. 

이에 따라 열역학 제3법칙을 네른스트의 열 정리(Nernst heat theorem)라고도 부른다. 

이 당시 네른스트는 엔트로피라는 개념을 사용하지 않았으나, 이 후 1911년 독일의 물리학자인 플랑크(M. Planck, 1858-1947)가 엔트로피 개념을 이용해서 네른스트의 열 정리를 좀 더 엄밀하게 정리하였다.

예제 1 (2018년 원자력기사 기출)

물질의 무질서도를 나타내는 열역학적 개념은 무엇인가?

① 엔탈피

② 내부에너지

③ 엔트로피

④ 온도

 

정답) ③

엔트로피란 물질의 열역학적 상태를 나타내는 물리량 중 하나로 계에서 에너지의 흐름을 설명할 때 사용되는 상태함수이다. 우리에게 익숙한 엔트로피의 개념은 무질서도 이다.