열역학

열역학

열역학(熱力學, Thermodynamics)은 열(에너지)과 일(Work)의 관계를 연구하는 물리학의 한 분야이다. 온도, 압력, 부피 등의 물리량이 어떻게 변하는지 연구하며, 에너지 변환 과정과 평형 상태를 설명하는 데 사용된다.

개요

열역학은 자연현상과 공학에서 매우 중요한 역할을 한다. 에너지 보존 법칙과 엔트로피 개념을 통해 자연계에서 일어나는 현상을 설명할 수 있으며, 발전소, 냉장고, 자동차 엔진 등 다양한 기술에 적용된다.

열역학의 기본 원리는 19세기에 정립되었으며, 주로 다음과 같은 세 가지 법칙으로 이루어져 있다.

• **열역학 제1법칙**: 에너지는 생성되거나 소멸되지 않고, 형태만 변환된다. (에너지 보존 법칙)
• **열역학 제2법칙**: 모든 자연적 과정은 엔트로피(무질서도)가 증가하는 방향으로 진행된다.
• **열역학 제3법칙**: 절대온도 0K에서는 엔트로피가 0에 수렴한다.

열역학의 기본 개념

시스템과 주변계

열역학에서 연구 대상이 되는 공간을 **계(System)**라고 하며, 계를 둘러싼 모든 것을 **주변계(Surroundings)**라고 한다.

계의 종류는 다음과 같이 구분된다.

• **고립계(Isolated System)**: 에너지와 물질 모두 출입할 수 없는 계 (예: 우주)
• **닫힌계(Closed System)**: 에너지는 교환할 수 있지만, 물질은 교환할 수 없는 계 (예: 밀폐된 압력 용기)
• **열린계(Open System)**: 에너지와 물질 모두 교환할 수 있는 계 (예: 끓는 물이 담긴 냄비)

상태변수

열역학에서 물질의 상태를 표현하는 변수들은 다음과 같다. || 변수 || 설명 || || 온도(T) || 물질의 평균 운동에너지와 관련된 물리량 || || 압력(P) || 단위 면적당 가해지는 힘 || || 부피(V) || 물질이 차지하는 공간의 크기 || || 내부 에너지(U) || 계 내부의 총 에너지 || || 엔트로피(S) || 계의 무질서도를 나타내는 변수 ||

열역학 법칙

열역학 제1법칙 (에너지 보존 법칙)

에너지는 생성되거나 소멸되지 않고, 한 형태에서 다른 형태로 변환될 뿐이다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

• **ΔU = Q - W**

 * ΔU: 내부 에너지 변화량  
 * Q: 계가 흡수한 열  
 * W: 계가 한 일  

즉, 계가 흡수한 열(Q)이 내부 에너지(U)로 저장되거나 외부에 일을 하는(W) 형태로 변환된다.

열역학 제2법칙 (엔트로피 증가 법칙)

자연계에서 엔트로피(무질서도)는 항상 증가하는 방향으로 진행된다. 이를 설명하는 대표적인 명제는 다음과 같다.

• **클라우지우스의 서술**: 고온에서 저온으로 자연스럽게 열이 흐르지만, 반대 방향으로는 외부에서 에너지를 공급해야 한다.
• **켈빈-플랑크의 서술**: 열을 100% 일로 변환하는 완전한 열기관(Perpetual Motion Machine of the Second Kind)은 존재할 수 없다.

열역학 제3법칙

절대온도 **0K(켈빈)**에서는 계의 엔트로피가 0에 수렴한다. 즉, 완전한 결정 상태에서는 무질서도가 존재하지 않는다. 그러나 현실적으로 0K에 도달하는 것은 불가능하다.

열기관과 카르노 순환

열역학은 **열기관(Heat Engine)**의 효율을 설명하는 데 필수적이다. 열기관의 효율(η)은 다음과 같이 정의된다.

• **η = (W / Qh) × 100%**

 * W: 수행한 일  
 * Qh: 고온에서 흡수한 열  

이론적으로 가장 효율적인 기관은 **카르노 기관(Carnot Engine)**이며, 그 효율은 다음과 같다.

• **η = 1 - (Tc / Th)**

 * Tc: 저온 저장소의 온도 (K)  
 * Th: 고온 저장소의 온도 (K)  

열역학의 응용

열역학은 다양한 공학 및 산업 분야에서 활용된다.

에너지 및 공학

• **증기 터빈**: 발전소에서 전력을 생산하는 장치
• **내연기관**: 자동차, 항공기 등의 동력원
• **냉동 및 공조**: 냉장고, 에어컨, 히트펌프

환경과 열역학

• **지구 온난화**: 대기 중 온실가스의 열역학적 영향 분석
• **재생 에너지**: 태양열, 지열 등의 에너지 변환 기술
• **열효율 개선**: 산업 공정에서의 에너지 손실 감소 연구

관련 문서

• 물리학
• 에너지
• 열기관
• 엔트로피

참고 자료

• Richard E. Sonntag, Claus Borgnakke, Gordon J. Van Wylen, 《Fundamentals of Thermodynamics》
• [NASA - Thermodynamics Basics](https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/thermo.html)
• [MIT OpenCourseWare - Thermodynamics](https://ocw.mit.edu/courses/mechanical-engineering/)

외부 링크

• [NIST - Thermodynamic Data](https://www.nist.gov/)