열역학 개요

열역학이란 무엇인가? 넓은 의미에서 열역학은 한 곳에서 다른 곳으로 그리고 한 형태에서 다른 형태로 에너지의 전달을 다루는 학문입니다. 핵심 개념은 열이 일정한 양을 갖는 에너지의 한 형태라는 것입니다. 예전에는 열은 공식적으로 에너지의 한 형태로 인식되지 않았습니다. 열역학의 기초는 열 발생과 일의 비례에 대한 것입니다. 1824 년에 열 엔진 사이클의 개념과 가역성의 원리를 도입 한 실험은 고온 열 전달을 사용하여 작동하는 증기 엔진에서 얻을 수 있는 최대 작업량 한계에 관한 것입니다. 독일의 수학자이자 물리학자인 루돌프 클라우지우스는 각각 열역학의 제 1 법칙과 제 2 법칙에 발견했습니다. 열역학의 가장 중요한 법칙은 있습니다. 열역학 제 0 법칙. 이 속성은 온도계를 제3 시스템으로 사용하고 온도 눈금을 정의하는 것을 의미합니다. 열역학의 첫 번째 법칙 다른 말로 에너지 보존의 법칙. 시스템 내부 에너지의 변화는 시스템 주변에서 시스템에 추가된 열과 시스템이 주변에서 수행하는 작업 간의 차이와 동일합니다. 열역학의 두 번째 법칙. 엔트로피의 법칙 열은 더 차가운 지역에서 더 뜨거운 지역으로 저절로 흐르지 않거나, 동등하게 주어진 온도의 열이 완전히 일로 전환될 수 없습니다. 결과적으로 폐쇄 시스템의 엔트로피 또는 단위 온도 당 열 에너지는 시간이 지남에 따라 일부 최대 값을 향해 증가합니다. 따라서 모든 폐쇄 시스템은 엔트로피가 최대이고 유용한 작업을 수행하는 데 사용할 수 있는 에너지가 없는 평형 상태를 향하는 경향이 있습니다. 열역학의 세 번째 법칙. 가장 안정적인 형태 엔트로피는 온도가 절대 영도에 가까워짐에 따라 0이되는 경향이 있습니다. 이를 통해 통계적 관점에서 시스템의 임의성 또는 장애 정도를 결정하는 엔트로피의 절대 척도를 설정할 수 있습니다. 열역학은 증기 엔진의 성능을 최적화해야 할 필요성에 따라 19 세기에 빠르게 발전했지만 열역학 법칙의 포괄적인 일반성은 모든 물리적 및 생물학적 시스템에 적용할 수 있습니다. 특히 열역학 법칙은 모든 시스템의 에너지 상태의 모든 변화와 주변 환경에서 유용한 작업을 수행하는 능력에 대한 완전한 설명을 할 수 있습니다. 물질의 원자 및 분자 이론이 일반적으로 수용되기 시작한 19세기 후반에 뿌리를 두고 있습니다. 열역학 원리의 적용은 어떤 의미에서 주변과 구별되는 시스템을 정의하는 것으로 시작됩니다. 예를 들어, 시스템은 움직이는 피스톤, 전체 증기 기관, 마라톤 주자, 행성 지구, 중성자 별, 블랙홀 또는 전체 우주가 있는 실린더 내부의 가스 샘플일 수 있습니다. 일반적으로 시스템은 주변 환경과 열, 작업 및 기타 형태의 에너지를 자유롭게 교환할 수 있습니다. 주어진 시간에 시스템의 상태를 열역학적 상태라고 합니다. 움직일 수 있는 실린더의 가스 피스톤, 시스템의 상태는 가스의 온도, 압력 및 부피로 식별됩니다. 이러한 속성은 각 상태에서 명확한 값을 가지며 시스템이 해당 상태에 도달 한 방식과는 독립적인 특성 매개 변수입니다. 즉, 속성 값의 변경은 시스템이 한 상태에서 다른 상태로 따르는 경로가 아니라 시스템의 초기 및 최종 상태에만 의존합니다. 이러한 속성을 상태 함수라고 합니다. 반대로 피스톤이 움직이고 가스가 팽창할 때 수행되는 작업과 가스가 주변에서 흡수하는 열은 팽창이 발생하는 세부적인 방식에 따라 달라집니다. 지구 대기와 같은 복잡한 열역학 시스템의 거동은 먼저 상태 및 특성의 원리를 구성 부분 (이 경우 물, 수증기 및 대기를 구성하는 다양한 가스)에 적용하여 이해할 수 있습니다. 상태와 특성을 제어하고 조작할 수 있는 재료 샘플을 분리함으로써 시스템이 상태에 따라 변할 때 특성과 상호 관계를 연구할 수 있습니다. 열역학 평형 특히 중요한 개념은 열역학적 평형으로 시스템 상태가 자발적으로 변하는 경향이 없습니다. 예를 들어, 이동식 피스톤이 있는 실린더의 가스는 내부의 온도와 압력이 균일하고 피스톤에 대한 제한 력이 이동을 막기에 충분하다면 평형 상태가 됩니다. 그런 다음 시스템은 열을 추가하여 온도 또는 피스톤을 움직여 부피와 같은 상태 기능 중 하나에 외부의 부과된 변경에 의해서만 새로운 상태로 변경되도록 할 수 있습니다. 일반적으로 시스템은 환경의 급격한 변화에 적응하기 때문에 평형 상태에 있지 않습니다. 예를 들어 풍선이 터지면 내부의 압축 가스가 갑자기 평형 상태에서 멀어지고 새로운 평형 상태에 도달할 때까지 빠르게 팽창합니다. 그러나 가동 피스톤이 있는 실린더에 동일한 압축 가스를 배치하고 체적의 여러 작은 증분 시퀀스를 적용하여 동일한 최종 상태를 달성할 수 있으며, 시스템은 각각 평형에 도달할 시간이 주어집니다. 이러한 과정은 시스템이 경로를 따라 각 단계에서 평형 상태에 있고 평형 상태에 있고 변경 방향이 어느 지점에서 든 역전될 수 있기 때문에 가역적입니다. 이 예제는 두 개의 다른 경로가 동일한 초기 및 최종 상태를 연결하는 방법을 보여줍니다. 첫 번째는 되돌릴 수 없으며 두 번째는 되돌릴 수 있습니다. 가역적 프로세스의 개념은 역학에서 마찰이 없는 동작 과 같습니다. 실제 시스템의 속성을 논의하는 데 매우 유용한 이상적인 제한 사례를 나타냅니다. 열역학의 많은 결과는 가역적 공정의 특성에서 파생됩니다. 정리하면 열역학의 기본 개념을 가지고 있으면 일상생활을 열역학적으로 해석할 눈을 가질 수 있습니다. 모든 에너지의 총합은 동일하나 형태만 바뀔 뿐이고 외부에서 에너지가 투입되지 않는다면 엔트로피가 증가하는 방향으로 모든 것은 변합니다. 이러한 시각을 갖고 있다면 세상을 조금 다른 눈으로 볼 수 있습니다.