내부에너지

지금까지 알아본 열역학에서의 열과 온도의 개념보다는 일상에서 덜 마주하게 되어 조금 낯선 개념이라고 생각합니다. 하지만 이해하기 어렵지 않는 개념이고, 열역학에 가장 중심에 있는 개념이며, 이후 엔탈피로 연결되는 개념입니다. 엔탈피의 이해를 위해 내부에너지에 대해 알아보겠습니다.

 

 

 

내부에너지의 개념

예를 들어, 컵에 담긴 뜨거운 물이 있다고 할 때 우리는 이 물이 정확히는 몰라도 에너지를 갖고 있다는 것을 알 수 있습니다. 존재하는 모든 물질은 고유의 에너지를 갖고 있으며 이를 내부에너지라 합니다. 물질을 분자단위로 들여다본다면 그 물질이 영하에 있든, 비등점 위에 있든 그 물질을 이루고 있는 분자들은 회전, 진동, 전이 등의 형태로 상호간에 인력과 반발력을 작용하며 끊임없이 운동하고 있고, 그로 인해 분자는 위치에너지, 운동에너지와 분자 자체가 보유한 에너지를 갖습니다. 운동에너지는 분자의 질량과 이동속도를, 위치에너지는 분자들이 인접한 정도와 상호간에 미치는 힘의 차이를 그리고 분자 자체의 에너지는 분자를 구성하는 원자의 개수와 구조를 변수로 합니다만, 이 들을 따로 각각 계산하는 것은 고전 열역학의 범주 밖이므로 논외로 합니다.

 여기서 중요한 것은 외부에서 물질로 전달된 에너지는 운동 에너지, 위치 에너지, 분자 자체 에너지 이 3가지 에너지의 형태로 물질에 저장되고 이것이 바로 내부에너지라는 개념입니다. 뜨거운 물로 돌아와 뜨거운 물이 모두 증기가 되었다면 우리는 물질의 내부에너지가 증가한 것으로 봅니다. 다시 말해 내부에너지는 물질이 고체상태, 액체상태, 기체상태에 있는 물질의 에너지를 나타내기 위해 만들어진 개념입니다   

내부에너지 실험

1842년 마이어J.R Mayer는 움직일 수 있는 피스톤의 내부에 열을 가하면서 기체의 온도변화를 관찰하였습니다. 첫째로 기체에 열을 가하고 압력을 일정하게 했을 때 피스톤의 움직임, 둘째로 열을 가하면서 피스톤을 고정시켰을 때의 압력을 관찰하였습니다. 각각의 경우 기체의 온도를 일정한 만큼 높이는데 필요한 열은 달랐으며 첫번째의 경우 필요한 열이 더 많음을 알게 되었습니다. 마이어는 기체의 부피가 팽창하면서 주변에 기계적 일을 해주는 만큼 필요열량이 더 많다고 생각하였고 일에 대한 열의 상당량을 계산하였고 665 ft-lbr=1Btu라는 결론을 내었습니다.

 줄(James P Joule)은 물이 든 용기에 날개가 달린 회전축을 설치하고 회전축을 낙하하는 물체와 연결하여 물체가 자유 낙하하면서 날개를 돌리게 되었을 때 발생하는 물과 날개의 마찰에 의한 물의 온도상승을 관찰하였습니다. 물 외에 수은을 사용하거나 회전축의 날개의 숫자를 변경해가며 정확한 값을 얻고자 노력하였습니다. 그는 가해지는 기계적 에너지와 발생하는 열이 비례관계에 있다는 것을 알게 되었습니다. 그리고 줄이 구한 상당량은 4.15J/cal 였고 이는 현재 사용하고 있는 4.18J/cal와 매우 근사하여 그의 실험이 매우 정확하다는 것을 알 수 있습니다. 당시 줄의 측정값에 오차가 있었던 것은 물의 열용량이 함수라는 것을 간과한 것과 온도 측정계가 정밀하지 못했기 때문이었습니다. 

 그리고 기계적 에너지가 소비되면 그에 비례해서 열 에너지가 물질에 축적된다는 내부에너지의 개념을 정립하게 되었고, 에너지는 형태가 변할 뿐 보존된다는 에너지 보존 법칙의 시발점이 되었습니다.

정리

내부에너지는 물질의 상태를 규명하는 온도, 압력, 조성 등 열역학적 변수를 사용하여 수학적 함수로 표현할 수 있지만, 열역학에서는 직접적인 물질의 에너지를 계산하기보다는 어떠한 상태의 값을 설정해준 다음 그것을 기준으로 다음 상태의 값을 부여하여 내부 에너지의 변화를 구하는 도구로 받아들여야 합니다. 이 내부에너지 개념의 정립은 물체에 열과 일이 동시에 가해졌을 때 물체의 내부 에너지는 가해진 열과 일의 양만큼 증가한다는 열역학 제1법칙 에너지 보존 법칙을 태동시킨 원리를 제공해주었다는 것에 큰 의미가 있습니다.