열과 열역학 과정

본 포스팅은 강남인강 하이탑 물리학 I 김윤영 선생님의 강좌를 바탕으로 작성했음을 밝힙니다.

Background

온도: 물체의 따뜻하고 차가운 정도를 수치로 나타낸 것
섭씨온도(℃), 화씨온도(℉), 절대온도(K) 등
0K=약 -273℃
열평형: 서로 접촉하고 있는 두 물체 사이에 양 방향으로의 열의 이동이 균형
→ 열의 알짜 이동 X
열: 온도 변화의 원인 (단위: 에너지의 단위 J(줄), kcal 등 사용)

---

열역학 제0법칙

• 열평형 상태에 있으면 두 물체의 온도가 같다.
• 두 물체의 온도가 같으면 열평형 상태에 있다.

 

열기관의 종류

• 내연 기관
  • 가솔린 기관, 디젤 기관 등
  • 열기관 내부에서 연료를 연소시켜 열을 얻는 열기관
• 외연 기관
  • 증기기관 등
  • 열기관 외부에서 연료를 연소시켜 열을 얻는 열기관

 

기체가 하는 일

기체의 압력 (P)
$P=\frac{F}{A}$(단위: $N/m^2=Pa$)

기체가 외부에 하는 일 (W)
$W=F\Delta l=PA\Delta l=P\Delta V$ (단위: J)

---

이상기체 상태 방정식

$PV=n\cdot R\cdot T$
(P: 압력, V: 부피, n: 분자수, R: 기체상수, T: 절대온도)

보일&샤를 법칙

보일 법칙: PV=일정 (PV=절대온도)
샤를 법칙: $\frac{V}{T}$=일정

내부 에너지 (U)

- 절대 온도와 관련 있음
$전체E=E_{av.}\times n$ (n은 분자수, $E_{av.}$는 평균 에너지)
$E_{av.}=\frac{3}{2}kT$

열역학 제1법칙

$Q=\Delta U+W$
$Q=\Delta U + P\cdot\Delta V$
(Q: 열에너지, $\Delta U$: 내부 에너지 변화량, W: 역학적 일, P: 압력, $\Delta V$: 부피 변화량)

---

열역학 제1법칙의 응용 (특수한 경우 4가지)

등온 과정 (온도가 일정, $\Delta U=0$) #천천히

$\Delta T=0$ → $\Delta U=0$
$Q=\Delta U+W=W$

Q	=	$\Delta U$	+	$P\cdot\Delta V$
+	=	0	+	+
-	=	0	+	+

 

등압 과정 (압력이 일정, 일반적인 경우)

$Q=\Delta U + W = \Delta U + P\cdot\Delta V$

+ 자유 팽창

단열 용기에서 한 쪽은 기체가 꽉 차 있고, 다른 한 쪽은 진공일 때 기체의 이동

Q	=	$\Delta U$	+	$P\cdot\Delta V$
0	=	0	+	0
0	=	0	+	0

 

등적 과정 (부피가 일정, $\Delta V=0$)

$\Delta V=0$ → $W=0$
$Q=\Delta U+W=\Delta U$

Q	=	$\Delta U$	+	$P\cdot\Delta V$
+	=	+	+	0
-	=	-	+	0

 

단열 과정 (외부와 열 출입이 없음, Q=0) #빠르게

$Q=\Delta U + W = 0$ → $W=-\Delta U$

Q	=	$\Delta U$	+	$P\cdot\Delta V$
0	=	+	+	-
0	=	-	+	+

* 단열 압축 & 단열 팽창의 예시

단열 팽창	단열 압축
높새바람, 구름 등	경유차, 펌프 등

---

EDITOR: SCIAN https://blog.scian.io/ admin@scian.io IT LOVER | DEVELOPER | ARTIST MATH & SCIENCE