열역학 제1법칙

열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙입니다. 우리가 궁금해하는 어떠한 계(system)가 있다고 할 때 계의 내부가 있고 계의 외부가 있습니다. 계의 외부에서 내부로 열과 일로 구성된 에너지가 들어오거나 나간다고 했을 때 계의 내부에너지가 변하고 계의 외부에너지가 변하지만 그의 총합은 변하지 않고 일정하다는 의미로 요약될 수 있습니다. 이 법칙을 통해 우리는 계의 에너지 변화를 계산할 수 있습니다.

 

 

열역학 제1법칙의 역사 

1850년 독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스Rudolf Clausius는 제임스 줄의 실험결과를 수학적 관점에서 접근한 <열의 동력에 대하여-Über die bewegende Kraft der Wärme>라는 논문에서 열역학 제1법칙을 도출하였습니다. 그 밖에도 상태함수로서의 내부에너지, 엔트로피 등 열역학적 개념을 도입하였습니다.

열역학 제1법칙 

말로 서술하면 길어질 수 있는 어떠한 물리적 역학적 현상을 우리는 간단한 기호로 치환하고 이를 수식이라고 부릅니다. 열역학 제1법칙을 말로 서술하면, 주어진 계의 첫번째 상태와 두번째 상태의 내부 에너지 변화량은 계의 외부에서 또는 외부로 가해진 열과 일의 합과 같다. 입니다. 이를 수식으로 표현하면

ΔU=Q+W

ΔU : U2-U1
Q: 외부에서(로) 가해진 열
W: 외부에서(로) 가해진 기계적인 일

이 됩니다. 줄의 실험을 예로 설명해 보겠습니다. 줄의 실험 기구는 이러했습니다. 물이 담긴 용기에 날개가 달린 회전축을 담그고 그 회전축은 용기 외부에서 자유 낙하하는 추와 연결되어, 추가 자유 낙하하면 회전축에 달린 날개가 물속에서 회전하게 됩니다. 우리가 관심있는 부분은 날개가 돌기전과 돌고 난 후 물의 내부 에너지의 변화량이므로 앞서 말한 계는 물이 되겠습니다. U2는 추가 자유 낙하하여 날개가 회전한 후의 물의 내부에너지, U1은 추를 자유낙하 시키기 전의 물의 내부 에너지입니다. 그 둘의 차이는 물에 가해진 Q열과 W일의 합과 같다는 것입니다. 반대로 계의 내부 에너지 차이를 계산할 수 있다면 계의 외부로 출입한 열과 일의 양을 구할 수 있다는 의미도 됩니다. 여기서 주의 해야할 것은 Q와 W이 절대값인 반면 U2나 U1이 절대값이 아니라 변화량을 나타내기 위한 개념이라는 점입니다

정리

열역학 제1법칙 ΔU=Q+W 의 좌변 ΔU는 계 내부의 에너지 변화를, 우변 Q+W는 외부에서 계로 에너지 전달 즉, 계 외부의 에너지 변화를 나타냄으로써, 계 내부의 에너지 변화는 계 외부의 에너지 변화와 같다고 하는 에너지 보존 법칙을 나타내고 있습니다. 또 한 내부의 에너지변화를 일으키는 인자를 열과 일이라는 물리량으로 규정하고 있습니다. 열과 일을 다른말로 경로 함수라고도 합니다. 에너지 전달의 형태인 열과 일은 그 전달 과정에 따라 달라지기 때문입니다. 그리고 계의 내부에너지는 물질의 고유 물성입니다. 물질의 내부 에너지 변화량을 계산할 수 있다는 것은 물질의 상태변화의 계산이 가능하다는 것입니다.

열역학 제1법칙은 경로함수의 절대값으로부터 계(물질)의 고유 물성의 변화를 계산할 수 있도록 한 식이라는 의미도 갖습니다.

지금까지의 설명이 다소 어렵게 들릴 수 있지만 당시의 관심사가 열기관, 증기기관에서 실린더에 열을 가하였을 때 실린더 내부의 부피변화로 얻을 수 있는 피스톤의 움직임 즉일의 양을 구하는데 열중이었던 것을 생각하면 조금 쉽게 다가올지도 모르겠습니다.