열역학 제1법칙

관찰과 경험으로부터 귀납적으로 얻어진 자연법칙

 흔히 에너지의 보존의 원리로 알려져 있다. 일과 열을 열역학적으로 정리하고, 열역학 제1법칙을 소개한다. 열역학 제1법칙으로부터 열역학적 상태량인 에너지를 정의하며 밀폐 계와 정상류 계에 대한 에너지 방정식을 유도한다. 에너지 방정식은 에너지 변환 전후의 에너지 균형을 계산하는 공식이며, 앞으로의 해석에서 이용된다. 엔탈피, 비열, 열기관의 열효율과 냉동기의 성능 계수가 정의된다.

 

일과 열

 일은 변위 x를 통하여 작용하는 힘으로 정의되며, 달리 표현하면 힘(force)과 힘이 움직이는 방향으로의 변위를 곱한 것이며 식으로는 F=ma로 표시할 수 있다. 

 이를 이용하면 어떤 무게를 들어 올리거나 와이어를 잡아 늘이거나 할 때 필요한 일을 구할 수 있다. 그러나 열역학을 거시적인 관점에서 다룰 때에는 일의 정의를 계, 상태량 및 과정의 개념과 결합시키는 것이 유리하다. 따라서 일을 다음과 같이 정의한다. 주위에 미치는 유일한 효과가 어떤 무게를 들어 올리는 것으로 될 수 있으면 계에 의해서 일이 행해진 것이다. 일반적으로 계가 한 일은 양으로 생각하고 계에 대해서 행하여진 일은 음으로 생각한다.

 계가 일을 하거나 또는 계에 일을 가하는 방법 중에서 실린더 내에서 피스톤이 움직일 때 행하는 일을 들 수 있다.

 피스톤 위의 작은 추를 제거하면 피스톤이 dx 만큼 위로 올라간다. 이 과정은 준정적 과정으로 취급할 수 있으므로 계가 한 일을 구할 수 있다. 기체의 압력을 P, 피스톤 단면적을 A라고 하면 피스톤에 작용하는 힘은 PA이다.