온도, 열, 열역학 제 1 법칙 온도측정 측정과정 역학 : 물체의 운동과 역학적 에너지의 변화 뉴턴의 운동법칙

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1 온도, 열, 열역학 제 1 법칙 온도측정 측정과정 역학 : 물체의 운동과 역학적 에너지의 변화 뉴턴의 운동법칙
역학 : 물체의 운동과 역학적 에너지의 변화 뉴턴의 운동법칙 열역학 : 물체의 내부 에너지의 변화. 열역학 법칙 열역학 제 0 법칙, 온도측정 두 물체 A 와 B 가 각각 다른 물체 T 와 열적 평형을 유지하면, 이 두 물체 A 와 B 도 열적 평형이 유지된다. 온도측정 정의근거 : 열역학 제 0 법칙 측정원리 : 온도변화에 따른 물리량 (길이, 부피, 압력, 저항 등)의 변화 측정과정 눈금 정하기 1. 기준온도 설정 : 재현성이 좋은 상태 (예 : 물의 삼중점 T3≡ K) 2. 눈금 나누기. 물리량 측정을 통한 온도환산

2 일정부피 기체 온도계 - 절대온도 일정부피 기체 온도계 절대온도 T 의 정의 T = C p
p : 온도계 기체의 압력 (실제 재는 양: p = p0-ρgh ) C : 비례상수 (물의 삼중점을 기준으로 결정) 끓는 물의 절대온도를 일정부피 기체 온도계로 잰 결과 P3 가 작아지면 기체 종류에 관계없이 K 로 수렴함

3 여러 상황에서의 절대온도

4 열팽창 온도와 열 고체와 액체에 의한 열흡수 길이 팽창 : α : 선팽창계수 부피 팽창 :
β : 부피팽창계수 (고체: β = 3 α) 온도와 열 주위환경보다 뜨거운 물체는 식고, 찬 물체는 데워져서 한참 뒤에는 물체의 온도가 주위환경과 같아진다. 관찰되는 현상 온도변화의 원인: 물체가 주위환경과 열에너지 (내부에너지)를 주고받기 때문이다. 현상의 해석 열에너지 정의 : 물체를 이루는 원자/분자의 미시적 운동에너지와 위치에너지 를 모두 더한 양 단위: 1 calorie = 물 1g의 온도를 도 에서 도로 올리는 데 드는 열에너지= J 고체와 액체에 의한 열흡수 열용량 (Heat Capacity) ≡ 물체가 흡수한 열에너지와 온도변화 사이의 비례상수 C 물체를 단위 온도 높이는데 드는 열량

5 비열 (Specific Heat) ≡ 단위질량 물질의 열용량 몰비열 (Molar Specific Heat) 물질 1몰의 비열 몰의 정의 : 1 mol = x 1023 개의 단위 요소 보기 : 산화알루미늄 1 mol = x 1023 개의 산화알루미늄 분자 상전이열 (Heat of Transformation): 변환열 배경: 물체가 열을 흡수하면 온도가 변하거나 상태가 변함 정의: 단위질량의 물질의 상태가 변하는데 드는 열에너지 액체상태에서 기체상태로 바꾸는데 드는 열에너지 기화열(heat of vaporization) 고체상태에서 액체상태로 바꾸는데 드는 열에너지 융해열(heat of fusion)

6 열과 일, 열역학 제 1 법칙 열역학 제 1 법칙 예 : 기체가 팽창하면서 피스톤에 해준 일에너지
물체가 주위환경과 에너지를 주고받는 방법 열에너지와 일에너지의 경로 의존성 물체의 상태가 바뀌는 과정에서 흡수하는 열에너지 Q 와 바깥에 해 주는 일에너지 W 의 값은 둘 다 변화과정의 경로에 따라 다름 . 열역학 제 1 법칙 둘의 차이 (Q-W) 는 오직 처음(initial) 나중(끝, final) 상태에 따라서 결정됨. 그러므로 이 양은 물체의 고유한 특성이며, 내부 에너지의 변화량 ΔE내부 라고 정의.

7 ΔE내부 = Q - W 네 가지 특수한 변화과정에서의 열역학 제 1 법칙 단열과정 (Adiabatic process)
(단열과정) 물체의 상태 변화가 아주 빨리 일어나거나 아주 잘 절연된 채 진행되어, 물체가 열을 흡수하거나 방출하지 못하는 경우. ΔE내부 = - W 일정 부피 과정 (Constant-volume process) W = 0 (일정부피 과정) 물체의 상태가 바뀌는 동안 물체의 부피가 일정하게 유지는 경우. 물체가 바깥에 일을 해줄 수 없음. ΔE내부 = Q 순환과정 (Cyclic process) ΔE내부 = 0 (순환과정) 물체의 상태가 여러 과정을 거쳐 처음상태로 되돌아오는 경우. 상태변화가 없음. Q = W 자유팽창 (Free expansion) Q = W = 0 (자유팽창과정) 물체가 일을 하지 않는 단열과정. ΔE내부 = 0

8 열전달 방법 열전도 방정식 전도(Conduction) : 고체 또는 기체 등 물질의 원자나 전자의
진동을 통해 열에너지가 전달되는 방법 열전도 방정식 H : 전도율 (단위시간당 전달되는 에너지) k : 열전도도 (thermal conductivity) 몇가지 재료의 열전도도 대류(Convection) : 유체의 흐름을 타고 열에너지가 전달되는 방법 복사(Radiation) : 물체가 내는 전자기파에 실려 열에너지가 전달되는 방법 P : 에너지 복사율, A : 넓이, T : 절대온도 σ = x 10-8 W/(m2 ∙K4) : Stefan-Boltzmann 상수

9 기체분자 운동론 이상기체 아보가드로 법칙 온도와 압력이 같으면, 부피가 같은 기체 속의 분자 수는 같다
국제단위계(SI)에서 몰(mole ⇒ mol)의 정의 1 몰(mol) ≡ 12C 12 g 속에 든 원자의 수 = 6.02 x 1023 개 아보가드로 수: NA ≡ 6.02 x 1023개/mol 이상기체 이상기체의 법칙 : 보편 기체상수 n : 몰 수 T : 절대온도 이상기체가 하는 일 등온과정 (T = 일정) 등적과정 (V = 일정) 등압과정 (p = 일정)

10 압력, 온도, 제곱평균제곱근(RMS) 속력 기체의 압력의 근원 기체분자의 열운동 기체가 담긴 그릇의 벽면이 받는 압력은
열운동하는 기체분자가 벽면과 부딪치면서 전달하는 운동량으로부터 생김. 기체압력과 기체분자 열운동 사이의 관계 압력의 정의 벽면이 받는 힘 F X 의 계산 F X = ∑ (벽에 부딪칠 때 주는 운동량)×(1초에 부딪치는 횟수) 기체분자 열운동과 온도 사이의 관계

11 병진 운동에너지 분자속력의 분포 k 분자의 평균운동에너지 Boltzmann 상수
기체분자의 속력분포함수 (James Clerk Maxwell) T= 300 K 와 T= 80 K 에서 산소분자의 속도분포

12 이상기체의 몰비열 이상기체의 내부에너지 이상기체의 내부 에너지 E 내부 는 온도 만의 함수 !! 몰 비열
부피가 일정할 때의 몰 비열 (단원자 분자 기체) 정적 몰비열 정의 열역학 제 1 법칙 : 이상기체 부피가 일정하게 유지되는 경우 압력이 일정할 때의 몰 비열 정압 몰비열 정의 열역학 제 1 법칙 : 이상기체 압력이 일정하게 유지되는 경우

13 이상기체의 팽창과정에서 압력-부피 변화 온도불변 이상기체 기본식 상태방정식 열역학 제1법칙 온도변화에 따른 압력,부피 변화
온도변화에 따른 압력,부피 변화 (상태방정식에서 ) 단열과정에서 온도변화와 부피팽창 (열역학 1법칙에서) 위 두 식에서 dT 소거하여 정리하면 (열역학 1법칙에서) (상태방정식에서 ) 온도불변

14 엔트로피와 열역학 제 2 법칙 한 쪽 방향으로만 진행되는 반응 엔트로피(entropy) 가설 닫힌계의 엔트로피( S )는
비가역과정에서 증가하고, 가역과정에서 불변(일정). 닫힌계의 엔트로피는 감소하지 않음

15 엔트로피 변화 정의 (T 는 켈빈 단위의 온도) 복잡한 열역학적 과정에서의 엔트로피 변화량을 셈하려면
셈이 단순한 다른 과정을 쓸 수 있음 특징 엔트로피는 상태함수 이상기체에서의 엔트로피의 변화 열역학 제1법칙 상태방정식 엔트로피 계산 적분 예를 들어 자유팽창의 경우 온도가 불변하므로 Ti =Tf

16 닫힌 계의 엔트로피는 줄지 않는다 : 변화과정이 비가역적이면 늘어나고 가역적이면 일정하게 유지된다.
열역학 제 2 법칙 열기관 (주위환경과 열을 주고받는 과정을 되풀이하면서 일을 하는 장치) 일상생활의 엔트로피 1 보기: Stirling 엔진 (Robert Stirling, 1816) 열효율 : ε 이상적인 열기관의 열효율 일반적 열기관의 열효율

17 냉장고 일상생활의 일에너지를 소모하여 엔트로피 2 열을 찬 곳에서 뜨거운 곳으로 옮기는 장치 냉장고의 성능계수 이상적인 냉장고
이상적인 냉장고의 성능계수 일반적인 냉장고의 성능계수