열역학 개론: 열역학시스템의 정의와 열역학 3법칙

열역학 개념 정리(1) - 열역학 시스템의 정의와 열역학 3법칙

 

 

 

0. 들어가며

 

안녕하세요. 본격적으로 기계공학 전공 관련 내용을 설명드리려 합니다. 일반적인 기계공학 커리큘럼대로라면 정역학과 동역학을 학습한 이후 열역학을 진행하는 것은 많은 분이 아실 텐데요. 그럼에도 불구하고 열역학을 가장 먼저 설명하는 이유는 총 2가지로 축약드려 설명할 수 있을 것 같아요

첫째, 열역학이 다른 과목과 이질적이기 때문입니다. 저는 열역학에서 학습하는 엔탈피와 엔트로피는 매우 중요한 개념이지만 정역학-동역학-고체역학-기구학의 관계에 비하면 상대적으로 옅은 상관관계를 갖고 있다고 생각해요. 아마 가장 유사한 상관관계를 가진 과목을 굳이 꼽자면 유체역학이 될 것 같지만, 유체역학에서는 일량을 구하기보다 유체정역학, 유체동역학을 통한 유체의 움직임을 예상하는 것이 주를 이룬 기억이 있기 때문에, 상대적으로 동떨어진 열역학부터 전공 개념을 잡으려는 것이 첫 번째 이유입니다.

둘째, 전공 pt 면접을 대비하기 위함이에요. 제가 이런저런 사정으로 전공과목을 손에서 놓은 지 1년이 조금 넘은 상황입니다. 일반기계기사라는 자격증을 공부하며 전공 공부를 다잡는 시간을 가지기도 했지만, 이조차 1년 전 이야기에요. 따라서 pt면접을 들어감에 있어 전공 공부를 다시 다잡을 필요성을 느꼈습니다. 지원한 분야가 기계설계 및 기구 관련 분야가 아닌 다른 분야인 만큼 상대적으로 열역학의 비중이 높아질 것이라 생각해 열역학을 첫 삽으로 뜬 것이 두 번째 이유입니다. 그럼 전체적인 개념을 설명함에 앞서, 열역학의 기초에 대해 간단히 정리하는 포스팅을 시작하겠습니다.

 

 

 

 

 

1. 열역학과 열역학 시스템의 정의

 

열역학을 요약하면 에너지와 엔트로피를 다루고 열시스템에서 열과 에너지 사이의 관계를 다루는 학문입니다. 일반적으로 우리 주위에서 에너지를 생산하고 이동하는 과정은 "열"이라는 매개체를 응용합니다. 전기차 시대로 인해 차량의 동력원이 배터리로 변화하고 있지만, 현재까지 높은 비율을 차지하고 있는 내연기관이 대표적으로 열에너지를 활용해 차량을 구동하는 사례입니다. 또한 석유와 같은 원료를 이용해 발전소에서 터빈을 활용해 전기를 생산하는 과정 역시 열을 활용한 시스템의 일종이라고 볼 수 있습니다.

제가 공부했던 저서에서는 열역학 시스템을 "분명히 정의된 경계로써 가상적으로 분리된 물질의 집합"이라 정의하고 있었습니다. 저도 이 표현에 대해 정확히 안다고 할 수는 없지만, 나름대로 추측을 해보자면 끊임없이 열과 에너지의 교환이 일어나는 현실 세계에서 완벽히 열이 이동하지 않는 경계를 설정할 수 없는 만큼 가상적으로 임의 경계를 생성해 이를 분리한 개념이라고 이해할 수 있을 것 같습니다. 열역학 시스템은 앞서 말했듯 열과 에너지가 이동하는 것에 대해 특정 구간을 가상적으로 분리한 것으로, 밀폐시스템과 개방시스템 그리고 고립시스템으로 구분할 수 있습니다.

밀폐시스템(Closed System)은 경계를 통해 질량 유동이 없지만, 에너지의 전달은 가능한 시스템을 뜻합니다. 밀폐시스템의 일종으로 고립시스템(Isolated System)을 말할 수 있습니다. 고립시스템이란 밀폐시스템처럼 경계를 통해 질량 유동이 없는 동시에 에너지까지 전달되지 못하는 시스템을 뜻합니다. 마지막으로 개방시스템(Open System)은 경계를 통해 물질과 에너지가 모두 출입할 수 있는 시스템을 뜻해요. 실제 많은 열역학적 문제는 개방시스템에 해당하며 이를 해결할 때 일정한 공간에 고정된 것을 가정하는데 이를 검사체적(Control Volume)이라 정의한다고 합니다.

 

 

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2. 열역학적 평형과 가역/비가역 과정

 

열역학적 평형(Thermodynamic Equilibrium State)이란 경계를 통해 열과 에너지가 이동하다 시간이 흘러 더이상 아무런 변화가 없는 상태를 뜻합니다. 이는 "평형"이라는 단어에서 빠르게 유추할 수 있는데요. 열역학적 평형상태에서는 압력과 온도와 같은 시스템이 모듀 균일해야 한다고 합니다. 그리고 열역학적 평형상태에 다다르기 위해서는 역학적, 열적, 화학적 조건과 같이 많은 변수에서 평형 상태에 도달할 때 비로서 열적 평형 상태에 다다를 수 있다고 교재에서는 정리하고 있었습니다.

 

열역학에서 시스템에 의해 일어나는 일련의 프로세스를 가역과정(Reversibile Process)과 비가역과정(Irreversibile Process)으로 정리할 수 있어요. 가역과정은 열역학에서 이상적인 시스템 프로세스를 뜻합니다. 시스템에서 일어난 변화 및 동작을 반대로 행할 때 주위에 어떤 영향도 끼치지 않고 원래 상태로 돌아갈 수 있는 과정을 의미합니다. 가역과정은 이상적인 프로세스이기에, 현실 세계에서 존재하지 않지만 가역과정을 가정해 문제를 쉽게 해결할 수 있는만큼 열역학 문제를 해석할 때 자주 활용된다고 합니다. 반대로 비가역과정은 일련의 프로세스를 반대로 행할 때 마찰이나 열, 압력 등의 변화가 일어나는 현실 세계에서의 변화를 뜻해요. 그래서 이런 열역학에서 사용되는 가역과정과 비가역과정의 개념을 활용해, 열역학 사이클에 대해 원래대로 복구가 가능하면 가역사이클, 그렇지 않으면 비가역사이클이라 명명하기도 하는 것을 찾아볼 수 있습니다.

 

 

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3. 열역학 3법칙

열역학에서 가장 유명한 것은 열역학 3법칙인데요. 가장 먼저 소개할 열역학 0법칙은 열평형의 법칙입니다. 온도가 다른 물체 혹은 시스템이 접해 있다면 온도가 높은 시스템에서 낮은 시스템으로 열이 이동하는 것을 우리는 열역학 0법칙이라 정의했습니다. 열적 평형은 당연한 사실이지만, 열역학의 이론적 개념 수립 과정에서 그 중요성이 컸기 때문에 열역학 제 0법칙이라는 내용으로 1930년대에 명명되었다고 합니다. 

 

열역학 1법칙은 에너지 보존의 법칙입니다. 열역학 제 1법칙은 에너지보존뿐만 아니라 시스템 내부에 존재하는 에너지 함수 및 열의 개념을 공식화 한 것에 의미가 있다고 해요. 열역학 제 1법칙은 1843년 Joule의 실험에 의해 진행되었는데요. 이를 통해 임의의 밀폐 시스템에 열의 출입이 없는 상태에서 해당 시스템에 가한 일의 크기는 내부 에너지의 증가량과 동일하다는 결론을 내릴 수 있었다고 합니다. 즉 간단히 정리하면 전체 에너지의 이동 과정에서 모든 에너지의 총량은 동일하다라고도 볼 수 있을 것 같습니다. 

 

열역학 2법칙은 엔트로피의 법칙으로 가역과정은 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다는 것을 지칭합니다. 엔트로피의 법칙은 크기 Clausis의 서술과 Kelvin-Plank의 서술 2가지로 구분되는데 2가지가 지칭하는 바는 거의 유사합니다. Clausis는 열역학 제2법칙에 대해 자연상태에서 열은 저온에서 고온으로 전달되지 않는다라고 정의했습니다. 또한 Kelvin과 Plank는 열기관에서 효율 100%를 달성할 수 없다고 이를 정의했습니다. 나중에 정의하겠지만, 이상적인 열기관인 카르노 사이클(Carnot Cycle)에서도 열효율 100%라는 값은 나올 수 없다는 것을 확인할 수 있습니다. 

 

열역학 3법칙은 절대온도의 법칙입니다. 열역학 제 3법칙은 어떤 시스템이라도 절대온도 0K까지 다다르게 할 수 없다는 것을 뜻합니다. 이에 대해서는 저도 학부 과정에서 배운 부분이 아니기 때문에 앞으로 개념을 조금 더 다진 후 다시 설명드려야 될 것 같네요

 

 

 

 

 

이번 포스팅에서는 열역학의 기초적인 개념에 대해 알아보았는데요. 학습한지 시간이 좀 오래 된 터라 저도 다시 알아가는 내용이 있고, 그 개념의 중요성을 다시 한 번 깨우칠 수 있었던 것 같네요. 다음 포스팅에서는 본격적으로 열역학의 개념에 대해 알아보는 시간을 갖겠습니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다 :)