열역학 II : 열과 열역학법칙

열 (Heat) : 온도차이 때문에 한 곳에서 다른 곳으로 전달되는 에너지 접촉 내부에너지가 더 크다 차가운 쪽은 내부에너지를 얻고, 뜨거운 쪽은 내부 에너지를 잃는다. 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 에너지 전달 두 물체가 도달하는 온도 :

열에 의한 팽창 (thermal expansion) 열 부피 증가, 밀도 감소 대부분의 물질은 열을 받으면 팽창한다. 예외 ) 물 (water) 과 얼음 (ice) 얼음이 녹으면 ( 열을 가함 ) 부피가 줄어들고, 물이 얼면 ( 열을 빼앗음 ) 부피가 늘어난다. - WHY? 그 밖에 물이 갖는 특별한 성질은 무엇인가 ? - 다음주 발표자 ?

열전달 방식 (Heat Transfer) 전도 (conduction) : 분자들의 충돌에 의한 에너지전달 대류 (convection) : 분자들의 실제 이동에 의한 전달 복사 (radiation) : 빛 ( 전자기파 ) 의 형태로 에너지전달 물을 끓일때 처음에는 전도에 의해 열전달 열 온도가 증가하면 대류에 의한 전달

왜 뜨거운 물 ( 혹은 공기 ) 는 위로 올라가는가 ? 온도의 증가 – 분자의 평균속력 증가 – 팽창에 의한 밀도 감소 아래쪽의 물이 윗쪽의 물보다 밀도가 작다 – 아래쪽 물이 올라가고 윗물이 내려온다 ( 대류 ) 복사의 정체는 ? 빛 ( 전자기파, electromagnetic wave) 주파수 가시광선가시광선 자외선자외선 적외선적외선 X- 선 감마선 마이크로파마이크로파 FMFM AMAM UHFUHF 온도가 높으면 높은 주파수의 복사 ( 빛 ) 이 나온다. 태양 : 가시광선, 지구 : 적외선 유리 : 가시광선은 통과시키나 적외선은 차단 – Greenhouse 효과

열역학 법칙 열역학 (Thermodynamics) = Thermo ( 열 ) + dynamics ( 역학 ) 내부에너지 1. 분자들의 운동에너지 2. 분자들 간의 상호작용 에너지 3. 존재 에너지 내부에너지만이 온도에 관계된다 : 온도 = 분자의 평균 운동에너지

열역학 제 1 법칙 가해진 열량 = 내부 에너지 증가 + 외부에 한 일 기체 열에너지 1. 온도 ( 내부에너지 ) 증가 2. 부피 팽창 ( 한 일 ) 가해진 열 = 제 1 법칙은 에너지 보존 법칙

열역학 제 2 법칙 열접촉 前 열접촉 後 왜 다음과 같은 일은 일어나지 않는가 ? 열접촉 前열접촉 後

열역학 제 2 법칙 : 열은 스스로 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 흐르지 않는다. 열기관 (heat engine) 고온 저온 일 열손실 모든 열기관에서 열이 전부 일로 전환되지 않는다. 열역학 제 2 법칙 : 높은 온도와 낮은 온도 사이에서 돌아가는 열기관이 일을 할 때, 입력된 열의 일부만이 일로 전환되고 나머지는 낮은 열원 쪽으로 방출된다. * 열효율이 100% 인 열기관은 존재할 수 없다. 열효율 = 투입된 열량과 한 일의 비 * 가솔린 엔진의 경우 26% 만이 자동차 운동에 소모된다.

제 1 법칙 “ 에너지 보존법칙 ” : 에너지는 생겨나거나 소멸되지 않는다. 에너지의 양 ( 量 ) 에 관한 법칙 제 2 법칙 : 유용한 ( 고질의 ) 에너지 형태에서 덜 유용한 ( 저질의 ) 에너지 형태로 전환된다. 모든 현상은 질서로부터 무질서를 향한 쪽으로 일어난다. 비가역성 (irreversibility) 질서 (order)10 개의 동전이 모두 앞면 앞면과 뒷면의 숫자가 반반 무질서 (disorder) 물속에 잉크방울이 한 곳에 모여 있을 때질서 (order) 잉크방울이 골고루 퍼져 있을 때 무질서 (disorder)

다음 장면은 ? 물이 완전히 쏟아져 버리고 컵은 깨진다. 엔트로피 (entropy) 계의 무질서도를 나타내는 척도 열역학 제 2 법칙 : 엔트로피는 감소하지 않는다. 클라지우스 (R. Clausius ) ‘ 열의 역학적 이론에 관하여 ’ : tropy ( 변화, 변형 )

계 (system) 와 환경 (environment) 물 열에너지 1) 고립된 계 : 환경과 전혀 상호작용이 없다. 그릇을 통해 열전달이 안되며 물이 증발하지도 않는다. 계 : 물, 환경 : 열, 대기 대기 2) 열린 계 : 주위와의 에너지 및 분자의 교환이 일어난다. 예 ) 우주 * 계의 엔트로피와 주위 환경 엔트로피의 합이 감소하지 않는다. * 열린 계만의 엔트로피는 감소할 수 있다. 예 ) 생명체 * 우주의 엔트로피는 항상 증가한다.

엔트로피 : 시간의 화살 자연 현상의 방향성 - 질서 -> 무질서의 방향으로만 발생한다. 시간의 흐름 Newton 역학은 시간대칭적이다 엔트로피 : 정보의 척도 모두 1 의 눈을 가진 주사위 : 주사위는 단 한 개의 가능한 상태만을 갖는다. 정보의 수 = 0, 엔트로피 = 0 정상적인 주사위 : 모두 6 개의 상태수를 가지며 각 눈이 나올 확률이 1/6 로 모두 같다 – 최대의 정보량 엔트로피가 최대값을 갖는다. 엔트로피 : 열 평형 물속에 잉크가 골고루 퍼져 더 이상의 변화가 없을 때 ; 무질서도가 최대가 되어 엔트로피도 최대가 된다. : 열적 평형상태 (equilibrium), 열죽음 (heat death) 우주의 열죽음 : big bang 이후 계속적으로 엔트로피가 증가하여, 결국에는 우주공간에 물질이 골고루 퍼져 더 이상의 변화가 없는 죽음의 상태에 이를 것이라는 비관적 예측

Jeremy Rifkin “Entropy” 제 2 법칙을 통한 새로운 패러다임 (paradigm) 주장 우주는 완벽한 질서에서 점점 혼란스러운 상황으로 변해간다. 그리스 Platon, Aristoteles 사상의 복원과 근대 기계문명 비판. 인류 역사나 경제제도등에 대해 제 2 법칙의 무분별한 확대적용 경향. Ilya Prigogine “Order out of Chaos”, “From Being To Becoming” 비평형 비선형 상태는 평형에 가까운 ( 선형 ) 상태와 다르다. 현재의 은하계, 태양계와 같은 질서가 탄생할 수 있다. 생명현상도 그와 같은 예의 하나다. : 우주의 “ 열죽음 ” 상태를 피할 수 있다 년 “ 비평형 산일구조의 열역학 ” 에 관한 연구로 Nobel 화학상 수상