열역학 제1·2법칙 : 에너지보존법칙, 가역과정 · 비가역 과정

1. 열역학 제1법칙 : 에너지 보존법칙

가. 열역학 제1법칙

  ▣ 기체에 공급된 열 = 기체가 외부에 한 일 + 증가한 기체의 내부 에너지

       ※ 열 : 고온에서 저온으로 접촉하여 이동하는 에너지 형태

       ※ 온도 = 기체 분자의 운동에너지 = 기체의 내부 에너지

           T = Ek = U

       ※ 기체 내부에너지 : 기체 운동에너지의 총합이다.

       ※ 기체가 한일은 기체의 압력과 부피의 곱에 비례한다.

           W ∝ P · △ V

        단, 기체의 분자수에 변화가 없는 경우에 적용된다.

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[참고] 열역학 제0법칙

 ▣ 열역학 제0법도 있는데 이는 가장 기본이 되는 당연한 법칙이다.

        TA = TB, TB = TC ∴ TA = TC

  열역학 제0법칙은 물체 A와 B가 열평형상태 (온도가 같음)에 있고 B와 C도 열평형상태에 있다면 물체 A와 C도 열평형

   상태에 있다는 당연한 법칙을 말한다.

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열역학 제1법칙은 다른 말로 하면 에너지 보존법칙이다. 에너지라는 것은 스스로 창조될 수 없고 사라지지 않고 다른 형태로 변환된다는 것이다. 기체가 열을 받으면 일단 온도가 올라간다. 또한 기체의 부피가 증가한다. 위 내용을 식으로 쓰면

다음과 같다.

    Q = U + P ·△V = W + △T

 즉, 기체가 열을 받으면 내부에너지에 변화가 생기고 외부에 일을 할 수 있게 된다.

기체의 부피가 증가하면 외부에 일을 하는 것이고 기체의 부피가 축소되면 외부로 부터 일을 받게 된다. 마찬가지로 열량값인 Q값도 플러스(+)와 마이너스(-)가 있다. Q값이 플러스 (+)인 경우는 기체가 외부에서 열을 받는 경우이고 Q값이 마이너스(-)인 경우는 기체가 외부로 열을 방출하는 경우이다.

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나. 가역과정과 비가역과정

 

자연상태에서 반응과정은 가역과정과 비가역과정이 있다.

가역과정은 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응이다. 예를 들어 다음 식을 보자.

   2H2 + O2 ↔ 2H2O

위식은 수소와 산소가 만나 물을 만드는 반응을 보여준다. 그런데 이 반응은 역으로 물을 전기분해하여 산소와 수소를 얻는 역반응도 가능하다.

대부분의 화학반응은 가역반응이다. 그런데 자연현상은 정·역 반응이 가능한 가역반응보다 대부분이 비가역 반응이다.

위 그림과 같이 물 속에 잉크 한방울을 떨어 뜨리면 물과 잉크가 혼합하게 된다. 시간이 지나면 잉크가 물 전체에 골고루 퍼지는데 역으로 퍼진 잉크나 물이 저절로 분리되지는 않는다. 실에 매달린 추도 마찬가지이다. 실에 매달린 추를 흔들면 움직이는데 공기저항에 의해 움직이는 폭이 점차 줄어들어 어느 시간이 되면 멈추게 된다. 그런데 이 멈춘 추는 시간이 지나도 더 이상 움직이지 않는다. 이처럼 자연현상은 대부분이 비가역반응이다.

왜 비가역 반응으로 진행될까 ?

물리학자들이 찾아낸 법칙은 자연현상의 반응은 무질서도 (엔트로피)가 증가하는 방향으로 반응이 일어 난다고 한다.

  ▣ 자연계에서는 대부분이 비가역적인 현상

  ▣ 계는 무질서도(=엔트로피)가 증가하는 무질서한 방향으로 진행

  ▣ 열은 항상 고온에서 저온으로 이동

 

  ※ 무질서도가 증가한다는 말은 구별이 안되는 방향으로 반응한다는 말로 표현할 수 있다.

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위 그림과 같이 뜨거운 물과 찬물을 섞으면 어느 것이 뜨거운 물이고 찬물인지 구별할 수 없는 방향으로 반응이 진행된다. 또한 자연계에서 발생하는 반응은 확률이 높은 쪽으로 진행한다고도 말한다.

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2. 열역학 제2법칙 (가역 · 비가역 과정, 엔트로피, 무질서도)

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  ▣ 가역과정 : 처음의 상태로 완전히 되돌아 갈 수 있는 반응 과정

  ▣ 비가역과정 : 한쪽 방향으로만 일어나 스스로 처음 상태로 되돌아 갈 수 없는 과정

 

   ※ 자연계에서 일어나는 대부분의 반응은 비가역 반응이다.

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위 그림에서 1기압인 기체와 진공인 기체를 담은 비이커를 연결하면 1기압인 기체가 진공쪽으로 확산될 것이다. 반대 방향으로 진행은 불가능할 것이다. 공기중의 진자운동은 점점 그 진동폭이 줄어 드나 그 반대로 더 늘어 나는 방향으로 운동이 진행되지는 않는다. 더운 물과 찬물을 섞으면 미지근한 물이 되고 반대 방향으로 반응은 일어 나지 않는다.

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열역학 제2법칙 : 자연현상에서 일어나는 변화의 비가역적인 방향성을 제시하는 법칙

   ▣ 열 이동 : 고온 → 저온

 

  ▣ 엔트로피 증가 : 질서있는 배열 → 무질서한 배열

    ※ 엔트로피 : 분자배열의 무질서도

 

자연현상은 미시상태의 경우의 수가 커지는 방향, 확률이 높은 방향으로 진행한다.

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