'일'과 '열'의 관계

열역학 제 1법칙

 이번시간에는 지금까지 정리한 '일'과 '열'의 관계에 대해서 알아보는 시간을 가지고자 한다.

 

 '열'이란 온도가 높은곳에서 낮은곳으로 흐르는 일종의 에너지로, 열을 받은 물질의 온도는 상승하며 부피가 커진다는 것을 앞에서 정리한 바 있다. 이를 달리 표현해보면, 물질이 받은 '열량' 중 일부는 '온도(내부에너지)'상승에 사용되었고, 나머지는 '부피 팽창(일)'에 사용되었다고 할 수도 있으며, 다음과 같은 관계가 성립하게 된다.

 열량[J] = 내부에너지[J] + 일[J]

그림1. 열받음

 내부에너지와 일의 방향을 정리하면 아래와 같다.

 1) 내부에너지의 증가(＋)는 온도상승을 의미하며, 일의 증가(＋)는 부피팽창을 의미한다.
 2) 내부에너지의 감소(－)는 온도강하를 의미하며, 일의 감소(－)는 부피감소를 의미한다.

그림2. 에너지의 증가/감소 방향

 이번에는 위에서 정리한 '열량[J] = 내부에너지[J] + 일[J]'이라는 식을 이용하여, 물질이 받은 열량이 0이라고 가정해보자. 이때는 다음과 같은 관계가 성립 할 것이다.

 0 ＝ 내부에너지[J] ＋ 일[J]

 일[J] ＝ － 내부에너지[J]

 위 식에 따라서 열량의 출입이 없을 때, 물질의 일의 증가(＋)는 내부에너지의 감소(－)를 의미한다.

 

 즉, 물질이 '일'을 한다는 것은 '내부에너지'가 소모됨을 의미한다.

 (여기서의 '일'은 외부로의 부피팽창을 말한다.)

 아래의 예를 보며 이를 조금 더 자세히 살펴보자.

 실린더와 피스톤으로 이루어진 용기에 공기를 넣고, 피스톤을 당긴다.

 이때, 열 출입은 없다고 가정한다.

그림3. 단열팽창

 피스톤을 당긴다는 것은 실린더 내부 기체의 부피가 팽창하는 것과 같다. 즉 기체는 외부로 일을 하였으므로 '일'은 증가(＋)하는 모습을 지닐 것이다. 이때 기체는 '내부에너지'를 소모하여 감소(－)하게 된다. 즉, 온도가 낮아지게 된다. 반대의 상황이라면 온도는 증가한다.

 이 과정에서 에너지의 소모는 없으며 단지 '일'과 '내부에너지'사이의 전환만 있을 뿐이다. 즉, 에너지는 형태만 변할 뿐 총량은 일정하며 이를 에너지보존의 법칙이나 열역학 제1법칙등으로 표현한다.