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열역학 법칙 중에서 열역학 제0법칙과 열역학 제1법칙을 알아보는 시간을 가져볼게요
1. 열역학 제0법칙: 열평형의 법칙
[정의] 어떤 계의 물체 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형상태에 있다.
열역학 제0법칙을 수식으로 표현하면 다음과 같습니다.
열역학 제1법칙, 2법칙, 3법칙이 확립된 후에야 제0법칙이 확립되었습니다. 이 사실은 계의 상태나 크기 같은 것에 상관 없이 절대적인 척도가 될 수 있는 어떤 열역학적 개념, 즉 온도를 확립할 수 있게 해주기 때문에 그 중요성이 인정되어 열역합 제0법칙이 되었습니다.
만약 우리가 사는 이 우주가 A, B, C 세 물체를 접촉시켜 놓았더니 A에서 B로 에너지가 흐르고, B에서 C로 에너지가 흐르고, C에서 A로 에너지가 흐르도록 생겨먹었다면 열역학 제0법칙이 성립하지 않는 것입니다.
세상은 무조건 에너지가 순환하도록 되어 있지가 않고 이변이 없다면 평형 상태를 유지하려고 한다는 뜻이 됩니다. 그리고 이를 우리는 "안정적이다" 라고 칭하는 것. 우리가 이것을 당연하게 여기는 것은, 단지 우리가 살고 있는 우주가 이런 법칙을 따르는 것을 아주 오랫동안 보아왔기 때문이지요.
얼마든지 예외의 경우가 있거나, 다른 우주가 존재한다면 오히려 평형 상태가 안정적인 게 아니라 에너지가 무조건 격동하고 무조건 순환하는 게 안정적인 세계일 수도 있다는 것입니다.
추가적으로 말하면, 열용량은 열밀도라고 보아도 무방한데 열밀도가 다르고 온도가 같은 두 물질이 접합했을 때 열교환이 없다는 뜻입니다.
예를 들면 물은 대기중의 공기보다 단위 부피로도 단위 질량으로도 열량이 높습니다. 어떤 기준으로 보아도 밀도가 높다고 볼 수 있는데 같은 온도의 공기와 접했을 경우에 열교환이 없습니다. 열이 아닌 대부분의 물질은 대부분 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 게 일반적인데, 그런 일반적인 사고를 열에 적용했으니 이 법칙의 발견이 늦어진 것입니다. 이 법칙 자체는 당연하지도 일반적이지도 않습니다. 열을 특수한 경우로 생각 할 수 있습니다.
2. 열역학 제1법칙: 에너지 보존의 법칙
[정의] 고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다.
열역학 제1법칙을 수식으로 표현하면 다음과 같습니다.
이때, U는 계(혹은 간단히 기체)의 내부(internal) 에너지를 뜻하며, 이는 계가 가지고 있는 에너지 중 그 계 전체가 통째로 움직이는 운동에 의해 지니고 있는 운동에너지와 계 외부에서 가해진 역장에 의해 계 전체가 통째로 가지게 된 포텐셜에너지를 제외한 그 계의 모든 에너지를 의미합니다.
Q는 계(기체)가 흡수한 열을 나타내며, 방출할 경우 음수로 나타냅니다. 또한 W는 계가 한 일을 나타내는데, 팽창해서 부피가 증가할 경우 W는 양수로, 수축해서 부피가 감소할 경우 음수로 나타냅니다.
다시 말해 "일"은 계 전체가 통째로 움직이는 것에 의한 운동에너지"의 형태로 전달되는 에너지의 양으로 정의할 수 있고, "열"이란 "그 외의 형태의 운동에너지"의 형태로 전달되는 에너지의 양으로 정의할 수 있습니다.
즉, Q와 W는 각각 계 내부와 외부 사이에서 전달되는 에너지를 뜻합니다. 열과 일은 그 자체로 에너지의 전달 혹은 변환이라는 의미를 갖고 있기 때문에 가 붙지 않는 것입니다. 전달되지 않은 특정 상태의 에너지 자체는 열역학적으로 아무런 가치가 없으니까요.
기체가 든 뚜껑이 닫힌 상자를 생각해볼까요? 상자를 건드리지 않는다면, 상자 속 기체는 무작위적인 방향으로 움직이며, 모든 입자의 속도(벡터)를 평균하면 어느 방향으로도 움직이지 않는 될 것입니다.
만약 이 상자에 열을 가하면, 기체 입자 하나 하나의 무작위적인 방향으로의 속도의 크기는 증가할 것입니다. 그러나 라면을 끓일 때 냄비가 스스로 움직이지 않는 것에서 알 수 있듯, 입자의 속도의 평균은 여전히
만약 이 입자에 일을 하면, 일은 입자 하나 하나의 속도에 일정한 방향의 속도 성분을 추가합니다. 이를 통해 입자 전체 속도의 평균이 아니게 됩니다. 상자가 움직이는 것이죠.
그러나 상자에 대한 입자들의 무작위적 방향으로의 속도가 증가하지는 않습니다. 입자의 속도가 증가한 만큼 상자의 속도도 증가했기에, 상대 속도는 변하지 않는 것입니다. 라면 냄비를 팔로 밀었다고 라면이 스스로 끓지는 않는 것입니다.
외계의 접촉이 없을 때 고립계에서 에너지의 총합은 일정하다는 에너지 보존 법칙은 고전역학의 바탕이 되는 법칙 중 하나며, 열역학에서도 이 법칙이 성립한다고 선언한 것이 바로 열역학 제1법칙입니다. 이 법칙에 따르면 에너지는 그 형태를 바꾸거나 다른 곳으로 전달할 수 있을 뿐 생성되거나 사라질 수 없습니다. 에너지의 총량은 항상 일정하게 유지된다는 것이지요.
롤러코스터에서 중력에 의한 퍼텐셜(위치) 에너지가 운동 에너지로 변환되거나 화약의 화학 에너지가 총알의 운동 에너지로 변환되는 것이 그 예라고 할 수 있습니다.
이를 한마디로 나타내면 다음과 같습니다.
외부와 에너지 교환이 없는 고립계 내에서 에너지는 사라지지도 생겨나지도 않는다. 다만 그 형태는 바뀔 수 있다.
그래서 우리는 항상 가장 쓸모없는 에너지인 열을 다른 걸로 좀 바꿔보려고 애를 쓰지만 그것은 열역학 제2법칙 때문에 효율에 한계가 있으며 항상 엄청난 저효율로 인해 고생을 합니다. 오히려 열을 다른 에너지로 바꾸는 데 드는 에너지들이 열로 더 많이 바뀝니다.
아인슈타인의 그 유명한 공식 E=이 나온 이후에는 질량 역시 에너지의 한 가지 형태라는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 에너지 총합에 질량을 넣어야 합니다. 일상적인 상황에서는 굳이 생각하지 않아도 되어서 핵에너지는 내부 에너지 계산 시에 종종 생략하지만 원자로의 핵분열 반응이나 항성의 내부를 다루는 경우에는 질량 손실에 해당하는 에너지가 열의 형태로 방출되기 때문에 반드시 고려해야 합니다.
열역학 제1법칙이란 우리가 관측하는 열현상이 단지 미시적인 원자, 분자들의 운동의 결과물일 뿐이라는 하나의 패러다임의 선언문으로 이해할 필요가 있습니다. 이것을 인정하고 나면, 거시세계에서 이미 확립된 에너지 보존법칙을 열현상에까지 확장하는 것이 자연스럽게 됩니다.
물론 고등학교 물리 과정에서 위의 정도까지 알 필요는 없고 아래 수식 정도만 알면 됩니다.
20세기 초, 에너지 보존 법칙은 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 통해 질량-에너지 보존 법칙으로 확장되었습니다. 특수 상대성 이론에 따르면 질량은 에너지의 한 종류이고 기준 관성계에 따라 측정되는 값이 다를 수는 있지만 같은 관성계에서 시간의 변화에 대해서 불변이라고 할 수 있습니다.
열역학 제1법칙에 위배되는 영구기관을 제1종 영구기관이라고 부릅니다.
위의 열역학 제0법칙과 열역학 제1법칙은 나무위키를 참고했습니다.
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