열역학 법칙과 기체의 상태 변화

열역학 제 2의 법칙과 엔트로피 법칙

 

열역학 제 2의 법칙

열기관은 고온에서 흡수한 열을 일로 바꾼 후 외부에 아무런 흔적을 남기지 않고 스스로 다시 그 열을 물체에 반환할 수 없다는 법칙입니다. 즉 공급된 열은 그 일부분만을 기계적인 일로 변화하고 나머지 열은 외부로 버려지게 됩니다. 열역학 제2법칙의 내용을 표시하는 데에는 여러 가지 표현이 쓰입니다.

열은 그냥 방출하면 고온에서 저온으로 흐른다.

즉 열의 이동은 비가역적이며 스스로의 힘으로는 저온에서 고온으로 이동되지 않는다는 것입니다. 좀 더 엄격히 말하면 그 주변이나 계에 아무런 변화도 주지 않으면서 저온의 물체에서 고온의 물체로 열을 옮겨 주는 것이 불가능 하다는 것입니다.

일이 열로 바뀌는 과정은 비가역적이다.

즉 일은 100% 열로 바뀔 수 있으나 열을 전부 일로 바꾸어줄 수는 없다는 것입니다. 예컨대 바닷물이라는 저온의 물체를 냉각시키는 대가로 바닷물에서 열을 뽑아내서 그 모두를 일로 바꾸고 그 이외에는 계나 그 주벼에 아무런 변화도 남기지 않는 장치 즉 제2종 영구기관은 제작이 불가능 하다는 것입니다.

 

즉 바닷물이나 대기를 냉각시킴으로써 얻은 열로 발전기를 돌릴 수는 없다는 것입니다. 따라서 열역학의 제2법칙은 '제2종 영구기관은 만들 수 없다.'라고 표현할 수 있습니다.

엔트로피의 증대의 원리

즉, '열의 출입이 차단된 고립계에서는 항상 엔트로피가 증가하는 방향으로 변하고 결국에는 엔트로피가 극대값을 가지는 평형상태에 도달한다.'라고 말할 수 있습니다.

열역학 제3의 법칙

모든 순수물질의 고체의 엔트로피는 절대 0˚ 부근에서 T³에 비례해서 제로에 가까워진다는 법칙으로 "널스트의 열정리"라고도 합니다.

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엔트로피

엔트로피란 쉽게 말하면 '무질서의 정도'를 나타내는 물리량입니다. 예컨대 컵에 깨끗한 물을 채워 잉크를 떨어뜨리면 분자배열 상태가 초기에는 질서정연했다가 시간이 경과되면 물 전체로 확산이 일어납니다. 그렇게 되면 그 분해상태가 깨져 물분자와 잉크분자는 서로 섞이게 됩니다. 즉 무질서 상태가 되는데 그 결과 엔트로피가 즐가한다고 표현합니다. 계의 알짜 변화만의 보아서는 계가 가역과정을 통해서 변했는지 또는 비가역 과정을 통해서 변했는지를 말할 수 없습니다. 계가 가역과정을 통해서 상태가 변했다면 이 과정에 전달괸 열과 일은 에너지 변화와 엔트로피 변화로 정의할 수 있습니다. 계에 수행된 일이 비가역적이라면 같은 변화를 일으키는 데 필요한 가역과정에서의 일보다 크게 됩니다. 즉 엔트로피는 열역학 제2법칙에서 얻어낸 새로운 상태량으로 열역학적 개념이 아닌 산술적 개념으로 표시한 것으로서, 단위 중량의 물체가 일정한 온도 하에서 얻는 열량을 절대 온도로 나눈 양을 엔트로피 증가라 합니다.

 

절대 온도가 T인 물체에 소량의 열량(ΔQ)을 공급하여 Δt만큼 올랐다고 하면, 이 때 Δt가 T에 비해서 대단히 작아서 T가 일정하다고 생각할 때 성립하는 것입니다. 유체에 있어서 열의 출입이 없는 단열 변화의 경우에는 엔트로피가 변하지 않고 일정합니다.

베르누이 정리

1738년 스위스의 물리학자 베르누이가 발표현 이론으로서 운동하고 있는 유체 내에서의 압력과 유속, 임의의 수평면에 대한 높이 사이의 관계를 나타내는 유체역학의 정리로서 이때 유체의 압축률과 점성은 무시될 수 잇어야 하며 유체의 흐름은 균일하거나 층류이어야 합니다.

 

사실상 이 정리가 의미하는 것은 운동하고 있는 유체의 역학적 총에너지, 즉 유체의 압력에 의한 에너지와 임의의 수평면에 대한 중력에 의한 위치 에너지 그리고 유체의 운동 에너지의 총합이 일정하다는 것입니다. 그러므로 베르누이 정리는 흐름이 균일하거나 층류인 이상유체에 대한 에너지 보존원리입니다. 따라서 유체가 수평면에서 운동할 떄, 즉 위치 에너지의 변화가 없는 경우 베르누이 정리에 의하면, 유체 압력의 감조는 유속의 증가를 뜻합니다.

 

예를 들어 수평면에 놓인 단면적인 변하는 도관을 통해 유체가 흐를 때, 도관의 단면적이 줄어들수록 유속은 증가합니다. 그러므로 유체가 도관에 대해 작용하는 압력은 도관의 단면적이 최소인 부분에서 가장 작아집니다. 유체의 흐름에 대해 부분적으로 단면적이 좁아진 도관이 미치는 효과를 벤투리 효과라고도 합니다. 정리하면 비압축성 유체의 정상류의 경우에 임의의 단면에서 단위 부피가 갖는 운동 에너지와 위치 에너지의 합은 일정합니다. 즉 위치수두, 압력수두, 속도수두를 압한것은 어느 곳에서나 일정합니다.

 

층류와 난류

파이프 내의 유체유동은 층류 또는 난류 유동이 있습니다. 실제 유체의 유동은 점성의 존재에 의하여 생기는 현상이며 대단히 복잡한 운동을 합니다. 점성의 영향은 유체 유동을 층류와 난류의 유체유동을 일으키게 합니다. 1883년에 영국의 과학자이자 수학자인 Osborn Reynold는 간단한 장치를 사용하여 이 두가지 종류의 유동에 대한 차이를 처음으로 구분하였습니다. 물이 지름d인 파이프를 평균속도 V로 흐를 때, 중각ㄴ에 뜨는 물감을 분사시키면 다음과 같은 특성이 관찰됩니다. 충분히 "적은유량'에 대해서 물감이 유체 내에서 그리는 선(유맥선)은 분자에 으한 확산 때문에 유체 속으로 스며들어 약간 번지기는 하지만 거의 명확한 선을 나타냅니다. 충분히 많은 유량과 충분히 적은 유량의 "중간 정도의 유량"인 경우는, 물감이 그리는 선은 시간과 공간에 대해 요동하며 간헐적으로 불규칙한 운동형태가 선을 따라 나타냅니다. 반면에 "충분히 많은 유량"에 대해서는 물감선이 불규칙한 형태로 전 영역에 걸쳐 순간적으로 퍼지고 확산됩니다. 이러한 3가지 유동특성은 각각 층류운동, 천이운동, 난류운동이라 칭합니다. 따라서 유체유동에서 유체 입자들이 층을 이루면서 안정된 진로를 따라 움직일 때를 층류라 하고 이와 반대로 움직일 때, 즉 유체 입자들이 대단히 불규칙적인 경로로 움직일 때 난류라합니다.