열역학 과정

1 정의

열역학 과정이란 열역학 제 1 법칙에 따라 기체가 외부의 환경에 영향을 받으면서 그 상태가 변화하는 과정이다.

2 배경

$$Q= \Delta u+W$$

위 식은 열역학 제 1 법칙을 나타내는 식으로 간단히 설명을 하자면,

• $$Q$$ 는 열량이다.
• $$u$$ 는 내부 에너지로, 어떤 기체의 분자들이 가진 운동에너지의 총합이다. 이때 $$u \varpropto T$$ ( $$T$$ :온도)인 관계가 성립한다.
• $$W$$ 는 기체가 한 일의 양이며, $$W \varpropto V$$ 인 관계가 성립한다.

이때 열역학 제 1 법칙에 따라 어떤 기체가 가진 열량은 그 물질의 내부 에너지와 그 기체가 한 일의 양의 합과 같다.

3 단열 과정

3.1 정의

단열 과정이란 열에너지의 출입 없이 일어나는 열역학 과정이다. 단열과정은 단열 팽창과 단열 압축으로 나눌 수 있는데, 단열 팽창은 기체의 부피가 늘어나면서 온도가 감소하고, 단열 압축은 기체의 부피가 줄어들면서 온도가 증가한다.

3.2 원리

단열팽창을 하는 기체의 부피는 늘어나기 때문에 기체가 한 일의 양 $$W$$ 는 양수(+)가 된다 . 그런데 기체의 부피가 증가하는 동안 외부의 열은 차단되어 있었기 때문에 열량 $$Q=0$$ 이여야 한다. $$Q$$ 가 0이 되기 위해서는 $$\Delta u$$ 가 음수(-)가 되어야 하고, 위에서도 말했듯이 기 때문에 위에서 말했듯이 $$u \varpropto T$$ 이기 때문에 $$\Delta u$$ 가 음수라면 온도의 변화량 역시 음수가 되야한다. 따라서 단열팽창을 하면 온도가 감소한다.

이를 정리해 보면 물체의 부피가 증가하면 내부에너지는 감소하며, 내부 에너지는 온도에 비례하기 때문에 온도 역시 감소한다. 이것이 단열팽창 할 때 물체의 온도가 내려가는 이유이다. 단열 압축은 이와는 반대로 부피가 감소하고 온도가 상승한다.