열역학: 정의, 법칙 및 방정식

많은 사람들에게 열역학은 똑똑한 사람들 만이 이해할 수있는 무서운 물리학 분야처럼 들립니다. 그러나 약간의 기초 지식과 약간의 작업 만 있으면 누구나이 연구 분야를 이해할 수 있습니다.

열역학은 열 에너지의 전달로 인한 물리적 시스템의 진행 상황을 탐구하는 물리학의 한 분야입니다. Sadi Carnot에서 Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell, Max Planck까지의 물리학 자들은 모두 개발에 참여했습니다.

"열역학"이라는 단어는 그리스어 뿌리에서 유래했습니다. 보온병, 뜨겁거나 따뜻함을 의미하며 다이너 미 코스, 강력 함을 의미하지만, 나중에 뿌리에 대한 해석은 행동과 움직임의 의미를 그에 부여합니다. 본질적으로 열역학은 움직이는 열 에너지에 대한 연구입니다.

열역학은 열 에너지가 어떻게 생성되고 기계적 에너지와 같은 다양한 형태의 에너지로 변환되는지를 다룹니다. 또한 물리적 시스템의 질서 및 무질서 개념뿐만 아니라 다양한 프로세스의 에너지 효율성을 탐구합니다.

열역학에 대한 심층 연구는 또한 통계 역학 운동 이론 등을 이해하기 위해. 기본 아이디어는 열역학적 과정이 시스템의 모든 작은 분자가하는 일의 관점에서 이해할 수 있다는 것입니다.

그러나 문제는 각 분자의 개별적인 작용을 관찰하고 설명하는 것이 불가능하기 때문에 통계적 방법이 대신 적용되어 매우 정확하다는 것입니다.

열역학과 관련된 일부 기초 작업은 이미 1600 년대에 개발되었습니다. Robert Boyle이 개발 한 Boyle의 법칙은 압력과 부피 사이의 관계를 결정했으며 결국 Charles의 법칙과 Gay-Lussac의 법칙과 결합 될 때 이상 기체 법칙으로 이어졌습니다.

1798 년이 되어서야 Rumford 백작 (일명 Benjamin Thompson 경)이 열을 에너지의 한 형태로 이해했습니다. 그는 생성 된 열이 보링 공구를 선삭하는 작업에 비례한다는 것을 관찰했습니다.

1800 년대 초 프랑스의 군사 기술자 사디 카르노는 열 엔진 사이클의 개념과 열역학의 가역성 아이디어 개발 방법. (일부 프로세스는 시간의 앞과 마찬가지로 시간이 거꾸로 작동합니다. 이러한 프로세스를 가역적이라고합니다. 다른 많은 프로세스는 한 방향으로 만 작동합니다.)

Carnot의 작업은 증기 기관의 개발로 이어졌습니다.

나중에 Rudolf Clausius는이 기사의 뒷부분에서 설명하는 열역학의 제 1 법칙과 제 2 법칙을 공식화했습니다. 열역학 분야는 엔지니어들이 증기 엔진을보다 효율적으로 만들기 위해 노력하면서 1800 년대에 빠르게 발전했습니다.

열역학적 특성 및 수량은 다음과 같습니다.

• 열, 서로 다른 온도에서 물체간에 전달되는 에너지입니다.
• 온도, 물질의 분자 당 평균 운동 에너지 측정 값입니다.
• 내부 에너지, 분자 시스템의 분자 운동 에너지와 위치 에너지의 합입니다.
• 압력, 이는 물질을 수용하는 컨테이너의 단위 면적당 힘의 척도입니다.
• 음량 물질이 차지하는 3 차원 공간입니다.
• 미시 상태 개별 분자가있는 상태입니다.
• 매크로 상태 분자 집합이있는 더 큰 상태입니다.
• 엔트로피 물질의 장애를 측정 한 것입니다. 그것은 미시 상태의 관점에서 수학적으로 정의되거나 열과 온도의 변화에 ​​따라 동등하게 정의됩니다.

열역학 연구에는 다양한 과학 용어가 사용됩니다. 자체 조사를 단순화하기 위해 일반적으로 사용되는 용어의 정의 목록은 다음과 같습니다.

• 열 평형 또는 열역학적 평형 : 닫힌 시스템의 모든 부분이 동일한 온도에있는 상태입니다.
• 절대 제로 켈빈 : 켈빈은 온도의 SI 단위입니다. 이 척도에서 가장 낮은 값은 0 또는 절대 0입니다. 가능한 가장 추운 온도입니다.
• 열역학 시스템 : 상호 작용 및 열 에너지 교환을 포함하는 모든 폐쇄 형 시스템.
• 격리 된 시스템 : 외부와 에너지를 교환 할 수없는 시스템입니다.
• 열 에너지 또는 열 에너지 : 다양한 형태의 에너지가 있습니다. 그중에는 시스템에서 분자의 운동 운동과 관련된 에너지 인 열 에너지가 있습니다.
• Gibbs 자유 에너지 : 시스템에서 가역적 작업의 최대량을 결정하는 데 사용되는 열역학적 전위.
• 비열 용량 : 물질의 단위 질량 온도를 1도 변경하는 데 필요한 열 에너지의 양입니다. 물질의 유형에 따라 다르며 일반적으로 표에서 조회되는 숫자입니다.
• 이상 기체: 표준 온도 및 압력에서 대부분의 가스에 적용되는 단순화 된 가스 모델입니다. 기체 분자 자체는 완전 탄성 충돌로 충돌한다고 가정합니다. 또한 분자가 점 덩어리처럼 취급 될 수있을만큼 충분히 멀리 떨어져 있다고 가정합니다.

세 가지 주요 열역학 법칙 (제 1 법칙, 제 2 법칙, 제 3 법칙이라고 함) 제로 법칙도 있습니다. 이러한 법률은 다음과 같이 설명됩니다.

그만큼 열역학 제 0 법칙 아마도 가장 직관적 일 것입니다. 물질 A가 물질 B와 열 평형 상태에 있고 물질 B가 열 물질 C와 평형을 이룬다면 물질 A는 물질 C.

그만큼 열역학 제 1 법칙 기본적으로 에너지 보존 법칙의 진술입니다. 시스템 내부 에너지의 변화는 시스템으로 전달되는 열 에너지와 시스템이 주변 환경에서 수행하는 작업 간의 차이와 같습니다.

그만큼 열역학 제 2 법칙시간의 화살을 내포하는 법칙이라고도하는는 폐쇄 된 시스템의 총 엔트로피가 시간이 진행됨에 따라 일정하게 유지되거나 증가 할 수 있음을 나타냅니다. 엔트로피는 시스템 장애의 척도로 느슨하게 생각할 수 있으며이 법칙은 "물건은 흔들릴수록 서로 섞이는 경향이 있습니다. unmixing.”

그만큼 열역학 제 3 법칙 시스템의 온도가 절대 0에 가까워짐에 따라 시스템의 엔트로피가 일정한 값에 접근 함을 나타냅니다. 절대 0에서는 분자 운동이 없기 때문에 엔트로피가 그 지점에서 변하지 않을 것입니다.

열역학은 통계 역학을 사용합니다. 이것은 고전 물리학과 양자 물리학 모두에 통계를 적용하는 물리학의 한 분야입니다.

통계 역학을 통해 과학자는 미시적 수량보다 더 간단한 방식으로 거시적 수량으로 작업 할 수 있습니다. 예를 들어 온도를 고려하십시오. 물질의 분자 당 평균 운동 에너지로 정의됩니다.

대신 각 분자의 실제 운동 에너지를 결정하고 그 이상으로 분자 간의 각 충돌을 추적해야한다면 어떨까요? 전진하는 것은 거의 불가능합니다. 대신, 재료의 더 큰 특성으로 온도, 열용량 등을 이해할 수있는 통계 기법이 사용됩니다.

이러한 속성은 재료 내에서 진행되는 평균 동작을 설명합니다. 압력 및 엔트로피와 같은 양도 마찬가지입니다.

ㅏ 열기관 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 열역학 시스템입니다. 증기 기관은 열 기관의 한 예입니다. 그들은 피스톤을 움직이기 위해 고압을 사용하여 작동합니다.

열 엔진은 일종의 완전한 주기로 작동합니다. 그들은 열 에너지를 흡수 할 수있는 일종의 열원을 가지고 있는데, 보통 열욕이라고합니다. 그 열 에너지는 시스템 내에서 압력을 높이거나 가스를 팽창시키는 것과 같은 일종의 열역학적 변화를 일으 킵니다.

가스가 팽창하면 환경에 작용합니다. 때때로 이것은 피스톤이 엔진에서 움직이는 것처럼 보입니다. 사이클이 끝날 때 시스템을 시작점으로 되 돌리는 데 냉각 수조가 사용됩니다.

열 엔진은 열 에너지를 받아 들여 유용한 작업을 수행하는 데 사용하고 프로세스 중에 열 에너지를 환경에 방출하거나 손실합니다. 그만큼 능률 열 엔진의 순 입력 열에 대한 유용한 작업 출력의 비율로 정의됩니다.

당연히 과학자와 엔지니어는 열 엔진이 최대한 효율적이기를 원합니다. 즉, 최대 열 에너지 입력을 유용한 작업으로 변환합니다. 열 엔진이 가장 효율적일 수있는 것이 100 % 효율적이라고 생각할 수 있지만 이는 잘못된 것입니다.

실제로 열기관의 최대 효율에는 한계가 있습니다. 효율성은 유형에 따라 달라질뿐만 아니라 프로세스 가능한 한 최상의 경우에도 프로세스 (가역적)이 사용되는 경우, 가장 효율적인 열 엔진은 열 수조와 냉각 수조 사이의 상대적인 온도 차이에 따라 달라집니다.

이 최대 효율을 Carnot 효율이라고하며 카르노 사이클, 이것은 완전히 가역적으로 구성된 열 엔진 사이클입니다. 프로세스.

열역학의 응용 분야는 다음과 같습니다. 프로세스 일상 생활에서 볼 수 있습니다. 예를 들어 냉장고를 가져 가십시오. 냉장고는 열역학적 주기로 작동합니다.

먼저 압축기가 냉매 증기를 압축하여 압력을 상승시키고 냉장고 뒷면에있는 코일로 밀어 넣습니다. 이 코일을 느끼면 만지면 따뜻할 것입니다.

주변 공기로 인해 냉각되고 뜨거운 가스가 다시 액체로 바뀝니다. 이 액체는 냉장고 내부의 코일로 흘러 들어가 열을 흡수하고 공기를 냉각시키면서 고압에서 냉각됩니다. 충분히 뜨거워지면 다시 가스로 증발하고 압축기로 돌아가서 사이클이 반복됩니다.

집을 난방하고 식힐 수있는 열 펌프는 유사한 원리로 작동합니다.