열역학 1법칙 / 열 – 역학적 에너지 보존 법칙

열도 에너지의 한 형태이고, 역학적 에너지 보존 법칙이 성립하지 않는 곳에는 열이 발생하는 것도 알고 있다. 결국, 열과 역학적 에너지를 모두 합친 것은 보존 되어야 한다는 것이 ‘열-역학적 에너지 보존 법칙’이다. 열역학에서는 또 다른 말로 ‘열역학 1법칙’이라고 한다. E = Q – W 라고 표현하는 식에 관한 이야기이다.

고체, 액체의 경우

고체나 액체를 가열하면, 온도의 변화를 알면 얼마만큼의 열량이 주어진 것인지 알 수 있다. 그 열량에 해당하는 에너지는 고체나 액체를 구성하는 분자들의 에너지로 들어 있다고 보는 것이다. 역학적으로 (질량 중심의) 운동에너지, 위치에너지는 늘어나지 않더라도, 그것은 내부에 있는 분자들의 에너지가 늘어났기 때문이지 에너지가 사라진 것은 아니라고 생각한다. 그래서, 내부 분자들의 에너지를 특별히 내부에너지 E 라고 부르며, 증가된 E 는 가해준 열량 Q 로 부터 온다. 고체나 액체의 경우, 압력, 부피의 변화가 그다지 크지 않기 때문에 기체처럼 해준 일을 따지지도 않는다. ( 온도차에 따른 열량 관계식에서 비례상수로 비열이 있는데, 우리가 특별히 압력을 더 증가 시킨다고 부피의 변화가 일어나는 것이 아니기 때문에 기체처럼 정적 비열, 정압 비열과 같이 구분하지 않고 비열이라고만 배운 것이다.)
E = Q , W = 0

기체의 경우

기체의 경우는 압력에 따른 부피의 변화가 아주 크고, 온도 마저도 압력, 부피에 큰 영향을 미친다. ( 보일 – 샤를의 법칙 ) 따라서, 기체가 한 일도 따져야 한다.

기체를 가열하면 열에너지가 기체 분자의 운동에너지, 즉 내부에너지를 증가시킬 수 있지만, 동시에 압력과 부피에도 변화를 주어 일도 하게 된다. Q 만큼의 열에너지가 주어져도 기체가 한 일 W 만큼 에너지가 전환되므로, 내부에너지는 E = Q – W 밖에 증가할 수 없게 된다.

끝이 막혀 있는 주사기에서 내부에너지는 우리가 한 일 (- W : 기체가 받은 일) 과 그 과정에서 열량의 증가 Q 만큼 늘어나서, E = Q + ( – W ) 가 된다.

어느 과정 속에서 열을 가했다면 그것은 일부는 내부에너지를 증가시키고 일부는 일을 하는데 쓰였을 것이다. Q = E + W

이렇게 저렇게 다른 방법으로 설명하는 이유는 E = Q – W 의 부호가 상당히 까다롭기 때문이다. 보통 W 는 기체가 한 일로 정의하기 때문에 역학 시간에 배운 것과 부호가 반대임을 주의해야한다.
위에서 쓴 글도 생각을 하고 식을 쓰는게 아니라, 식을 생각하면서 말을 만들었다. 그 만큼 부호문제는 신경을 써야 한다. 기출 문제가 쉬운듯 쉽지 않은 이유이다. 식을 보면서 말로 이리저리 바꾸어서 해 보길 권장한다. 시험 문제에 나오는 설명문이 내가 생각하고 있는 것과 같은 방식이란 보장이 없다.

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