참고자료 : 열역학

1. 섭씨 온도와 화씨 온도 변환

 

▣ 열이란 물질입자의 분자운동에 의한 에너지의 한 형태이다.

    물체가 보유하는 열의 양, 즉 열에너지의 양을 열량 (quantity of heat)이라 한다.

    열량의 단위는 kJ, kcal, Btu, chu가 있다.

    kcal는 kilogram - calorie 의 약칭으로 1 [kcal]는 표준대기압에서 순수한 물 1[㎏]의

    온도를 1[℃] (14.5[℃]에서 15.5[℃]까지) 높이는데 필요한 열량을 말한다.

    1 [kcal]는 약 4.2 [kJ]이다.

    Btu는 British thermal unit의 약자로 1[Btu]는 1 [lb]물의 온도 30 [°F] 에서 212[°F]

    까지 상승시키는데 필요한 열량의 1/180을 말한다.

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2. 열역학 제0법칙

 

온도가 서로 다른 두 물질이 열을 교환 후 온도가 같다면 그 두 물질은 서로 열적 평형 상태

에 있게 된다. 이를 열역학 제0법칙 [The Zeroth law of thermodynamics] 이라고 한다.

열역학 제0법칙은 온도 측정의 기본법칙이다.

영국의 J.P. Joule이 열상당량을 구할 수 있는 실험을 하였고

이 실험을 통해서 열의 관계를 양적으로 나타냈다.

"즉, 열과 일은 본질적으로 같으며 에너지의 일종으로 열을 일로 변환시킬 수 있고

또한 반대로 일을 열로 변환시킬 수 있다. 따라서 밀폐계가 임의의 사이클을 이룰 때

열전달의 총화는 이루어진 일의 총화와 같다"

이를 열역학 제1법칙 (The first law of thermodynamics)라고 하고 에너지 보존 법칙

(Law of conservation of energy)라고도 한다.

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3. 열역학 제1법칙

 

공학단위에서 기계적인 일은 W[㎏f·m]가 열량 Q[kcal]로 바꾸고, 열량 Q[kcal]가

일[㎏f·m]으로 변환할 때 다음 식이 성립한다.​

여기서 J는 열의 일상당량 (Mechanical equivalent heat)

A는 일의 열상당량 (Thermal equivalent work)이라고 하면​

따라서 전사이클에 대하여 위 식을 적분한 값은

W = JQ [㎏f·m] 또는 Q =AW [kcal]가 된다.

에너지식은

모든 에너지 (E) = 내부 에너지 (U) + 운동에너지 (KE) + 위치에너지 (PE) 이다.

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열역학 제1법칙의 일반식

δ Q = d U + δ W

δq = du + δw

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이를 다음과 같이 쓸 수 있다.

총 에너지 (E) = 내부에너지 (IE) + 외부에너지 (EE)

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여기서 외부에너지는 기계적 에너지인 일이다.

보통 분자가 분자력에 의하여 서로 위치에너지를 가지며 운동에너지를 갖는다.

분자의 집단인 물질의 내부에 보유되는 에너지가 그 물질의 내부 에너지가 된다.

따라서 물질의 내부에너지는 분자의 현재의 집합상태에만 관계가 되기 때문에

물질의 과거의 상태와는 무관하고 물질의 현재의 상태에 의해서만 정해지는

상태량이라고 할 수 있다.

그리고 내부 에너지에는 분자의 운동에너지로 온도를 상승시키는 잠열과

분자 상호간의 힘에 저항하여 융해 또는 증발에 이용되는 잠열이 포함된다.

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위치에너지와 운동에너지에 대해 알아 보자.

위치에너지 (Potential energy)

PE = m g · Z [J]

여기서 , mg = W : 무게 [N], Z : 높이 [m]

운동에너지 (Kinetic energy)​

열과 일에 대하여 정리하면 다음과 같다.

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1. 열과 일은 모두 경계 현상 (boundary phenomena)이다. 즉, 열과 일 모두 거의 경계에

    서만 구분되며 계의 경계에 따라 통과하는 에너지는 다르게 나타난다.

2. 열과 일은 모두 과도현상 (Transient phenomena)이다. 즉, 계는 열과 일을 보유할 수

    없으며, 일시적인 현상으로 시스템(계)의 상태가 변할 때 이 중 하나 혹은 모두가 계를

    통과한다.

3. 열과 일은 모두 경로 함수 (Path function)이므로 불안전 미분 (Inexact differential) 으로 쓴다.

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