물리(4) - 열역학(2)

기체에서의 열역학
물체를 분자의 관점에서 보기 시작하면서 압력, 부피 이외에 밀도라는 변수가 생김
이상기체 법칙은 밀도를 충분히 낮춤으로써 모든 기체에 성립하는 식을 생성함
PV=nRT(n은 몰 수)
PV=NKT(N은 분자 수)
그 밀도는 우변의 n에서 알 수 있다. n은 시료에 있는 분자 수 N과 1 mol의 분자 수 NA의
비율이다.
기존에 고체는 등적팽창, 등압 팽창으로 그래프상에서 단일 수직, 수평으로의 움직임만 가능했
다. 변수가 Q와 W 만이었다.
기체로 오면서 추가적인 등온 팽창(T가 일정)에 의해 P와 V가 바뀔 수 있게 되면서 그래프상
에서 곡선 이동이 가능하게 되었다.
구체적으로 W의 값을 정의할 수 있게 되었다.
W=nRT*ln(Vf/Vi)
또한 기체로 오면서 분자의 충돌에 의해 생긴 병진 운동에너지를 이상기체의 내부 에너지 Eint
로 정의할 수 있게 되었다.
Eint = (3/2)*nR△T ------- (1)
이때 원자의 모양에 따라서 내부 에너지가 달라진다는 것을 알게 되었는데
단원자, 이원자, 다원자에 따라서 Cv값이 바뀐다. 이것은 등적 몰 비열이라고 한다.
등적 상태(W=0, 왜냐하면, 압력이 늘고 온도가 늘어나도 결국 부피가 팽창하거나 수축하지 안
는다면 일의 변화량은 0이다.)
열역학 제1법칙(Q=Eint+W)에 Q=nCv△T(고체 액체에서는 Q=Cm△T이다)와 W=0을 넣는다면
Cv=Eint/(n*c)이고 Eint에 (1)의 값을 넣는다면 Cv=(3/2)*R이 된다.
이원자일 때는 5/2, 다원자일 3이다.
Cp는 등압 몰 비열이라고 한다.
등압 상태(W=p△V)에서는 온도가 올라갈 때 부피가 늘어나서 결국에 W의 변화가 생긴다. 피
스톤을 들어 올리기 위해 에너지가 공급되어야 하기 때문이다.
이때 W에 이상기체 방정식(PV=nRT))을 적용한다면 W=p△V=nR△T

 

 

 

머그컵의 온도가 낮아진다는 것은 운동에너지가 줄어든다는 것을 의미함
이는 뜨거운 물체에서 차가운 물체로의 열이라는 에너지 이동을 뜻 한다,
머그잔 -> 공기 and 식탁
온도(temperature)는 평균 운동 에너지의 양을 나타내는 수단이며 또한 열 에너지를 다른 물
체로 옮기는 능력치를 뜻한다.
열(Heat)는 뜨거운 열체에서 차가운 물체로의 에너지 전달임을 뜻한다.

 

 

 

비열 – 열을 더 많이 담을 수 있는 용기로서의 능력 (일열)
열의 전달에 있어서 최종 온도가 중요한 것이 아니라 온도 변화 델타 T가 중요한 것이다.
Q = m•C•ΔT
열용량을 측정하는 경우는 얼마나 ‘많이’ 에 의해 좌우되는 지를 알기 위해서이다.
열용량의 단위는 섭씨, 켈빈, 줄/켈빈 등 다양하게 표기할 수 있다.
열용량은 대문자 C
단위질량당 열용량인 비열은 소문자 c
피스톤상에서의 일 = 압력 * 부피의 변화량
dW = p*dV
열역학 제1법칙 – 처음과 최종사이의 계의 내부에너지 변화량(열 형태로서의) 보존 법칙
이전의 칼로리 이론에 따르면 열은 물질로 취급되었다..
주전자안의 뜨거운 물의 형태로 존재한다고 말이다. 단일 물질로만 보았기 때문에 열은 보존
이 가능하다고 생각했다. 하지만 현대에 이르러서는 칼로리만이 존재하는 stuff이고 열은 그렇
지 않다는 것이 밝혀졌다. 열은 ‘두 물체’간의 온도 전달 능력으롲 정의 되는데 이는 열의 보
존을 특정할 수 없음을 뜻한다. 만약 두 물체간의 온도차가 없다면 열은 존재하지 않는다.
기계학적인 관점에서 보았을 때 열은 유체의 흐름 때문에 발생하는 것이 아니라 원자의 움직
임과 연관되는 것이라고 보았단다. 따라서 열은 물체나 유체로 특정지을 수 있는 것이 아니
다.
그러므로 두 물체가 존재할 때의 상호간의 temperature 관점에서의 에너지 흐름 = ‘열‘이다.
물체가 하나일 때에는 그 대상의 온도를 알 수 있는 것이지 열을 알 수는 없다.
물리학적 관점에서는 그러하지만
화학적인 관점에서는 단일대상으로 보고 화학적 포텐셜 에너지로 정의하기도 한다.
이상기체 법칙(PV=nRT)을 사용할 수 있는 이유
실제 기체가 충분히 낮은 밀도가 되어서 기체 분자들이 서로 상호 작용 할 수 없는 상황이 된
다면 이상적인 상태로 접근해 간다. 따라서 기체의 거동에 대해서 이상기체 법칙을 사용하여
도 충분히 설명이 가능하다.
열역학 과정 = p,v,t로 이루어진 계의 초기상태i 에서 최종상태f로 바꾸는 과정