[열역학 개념의 해설] 열역학 제1법칙

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제7장 '열역학 제1법칙' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다.

 

7. 열역학 제1법칙

열역학 제1법칙인 에너지 보존의 법칙은 어떻게 만들어진 것일까요? 열역학 1법칙은 앞 장에서 설명한 것과 같이, '줄의 실험'에 의해서 시작되었답니다. '줄의 실험'은 일과 열의 상관관계를 정립하기 위한 실험이었는데요. 일과 열의 관계를 1 cal = 4.18 J로 정립했을 뿐만 아니라, 그 과정에서 에너지가 보존된다는 개념 및 내부 에너지의 개념이 탄생했답니다. 

 

그 후, 클라우지우스라는 과학자가 '줄의 실험'을 수학적인 관점으로 고찰하여 열역학 제1법칙을 도출하였답니다. (클라우지우스는 엔트로피 개념을 만든 과학자이기도 합니다.)

 

한편, 열역학 제1법칙은 수학적으로 다음과 같이 정의가 되는데요.  

• △U = W + Q

좌변은 계의 내부에너지 변화량을 나타내고, 우변은 계에 출입하는 일과 열을 나타낸답니다. 위 식은 간단하지만 다양한 열역학적 의미를 포함하고 있는데요. 이를 살펴보면 다음과 같아요 

1. 식의 우변인 '계에 출입하는 일과 열'은 '외계의 에너지 변화량'으로 생각할 수 있는데요. 즉, 위 식은 계의 에너지 변화량과 외계의 에너지 변화량이 같다는 에너지 보존법칙을 의미하게 됩니다.
2. 또한 식을 통해서 내부에너지, 일, 그리고 열과 같은 기초적인 열역학 개념이 정의된답니다. 여기서 내부 에너지는 물체의 상태에 따라 결정되는 상태 함수이고, 일과 열은 에너지가 이동하는 형태인 경로 함수예요.
3. 한편 위 식은 내부 에너지와 같은 비가시적인 물질 고유 물성의 변화를 일, 열과 같은 가시적인 방법으로 계산할 수 있다는 데 의미가 있답니다. 즉 내부 에너지를 온도나 압력과 같은 변수들로 구성된 함수로 나타내어 계산을 할 수 있게 된 것이지요.  

그럼 열역학 제1법칙에 대한 포스팅을 마치겠습니다.