에너지 열역학

열역학은 에너지를 다루는 과학으로 정의할 수 있다. 모든 사람이 에너지가 무엇인지 에 대한 느낌을 가지고 있지만 에너지에 대한 엄밀한 정의를 하는 것은 쉽지 않다. 에너지는 변화를 일으키는 능력이라고 볼 수 있다.

열역학은 그리스어의 therme(heat)와 dynamics(power)로부터 유래된 것으로, 열을 동력으로 변환시키고자 한 초창기의 노력을 가장 적절하게 표한한 말이다. 오늘날 열역학은 동력발생, 냉동 그리고 물질의 상태량 사이의 관계 등을 포함한 모든 형태의 에너지와 에너지 변환을 포함하는 것으로 광범위하게 이해되고 있다.

에너지 보존법칙은 가장 기초적인 자연법칙 중의 하나이다. 이 법칙은 상호작용 중에 에너지는 한 형태에서 다른 한 형태로 변화할 수는 있으나 에너지의 총량은 일정하다는 것을 의미한다. 즉, 에너지는 생성되거나 소멸될 수 없다는 의미이다. 예를 들면 절벽에서 떨어지는 바위는 위치에너지가 운동에너지로 변환되기 때문에 속도가 증가한다. 또한 에너지 보존법칙은 산업의 근간이 된다. 운동에 의해 나가는 에너지보다 음식물을 통해 들어오는 에너지가 많은 사람은 체중이 증가하고 지방의 형태로 에너지가 저장되며, 나가는 에너지보다 들어오는 에너지가 적은 사람은 체중이 감소한다. 인체는 그 밖의 다른 계에서 에너지의 변화는 들어오는 에너지와 나가는 에너지의 차이와 같다.

열역학 1법칙은 단순히 에너지보존법칙에 대한 표현이며, 에너지가 열역학적 상태량이라는 의미를 내포하고 있다.

열역학 2법칙은 에너지가 양뿐만 아니라 질을 가지고 있으며 실제과정은 에너지의 질을 저하시키는 방향으로 진행된다는 것을 의미한다. 예를 들어 책상 위에 있는 뜨거운 찻잔은 결구 차가워지지만, 반대로 차가운 찻잔은 저절로 뜨거워지지 않는다. 주위의 공기로 에너지가 전달되고 나면 찻잔의 고온 에너지는 질이 저하된다. 낮은 온도에 있는 덜 유용한 형태로 변환된다.

 물질이 분자라고 하는 수많은 입자로 구성되어 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 물질의 상태량은 이들 입자의 거동에 따라 달라진다. 예를 들어 용기 내에 들어 있는 기체의 압력은 분자들과 용기 벽 사이의 운동량 전달의 결과이다. 그러나 용기 내의 압력을 결정하기 위해 기체 입자의 거동을 알아낼 필요는 없다. 용기에 압력계를 부착하는 것으로 충분하다.

열역학은 우리 일상생활에서 흔히 접할 수 있다. 심자은 인체의 모든 부분에 계속적으로 혈액을 보내고, 수조 개에 달하는 인체의 세포에서는 여러 형태의 에너지 변환이 이루어지며, 발생된 인체 내의 열은 대기 중으로 방출된다. 인체가 느끼는 안락함은 이와 같은 신진대사로부터 발생된 열의 방출과 밀접하게 관련되어 있다. 따라서 사람들은 환경조건에 따라 의복을 바꾸어 주위로의 열전달률을 조절한다.

 우리가 거주하는 곳에서 쉽게 찾을 수 있다. 통상적인 집은 어떤 면에서 열력학의 경이로움으로 가득 찬 전시관이다. 대부분의 가정용품과 설비들은 전체적으로 또는 부분적으로 열역학 원리를 이용하여 설계된다. 예를 들면 전자레인지나 가스레인지, 냉나방 시스템, 냉동기, 가습기, 압력밥솥, 온수기, 샤워기, 다리미, 컴퓨터, TV 등이 있다. 보다 큰 규모로서 열역학은 자동차 엔진, 로켓, 제트 엔진 그리고 재래식 및 원자력 발전소, 태양열 집열기 등의 설계와 해석, 그리고 일반적적인 승용차로부터 항공기에 이르는 수송 수단들이 설계에 있어서도 중요한 부분을 담당한다.

 우리는 열역학 제1법칙의 표현이 에너지 보존법칙에 매우 익숙하다. 에너지는 과정 동안 만들어지거나 소멸될 수 없고 단지 한 형태에서 다른 것으로 형태만 변한다.

공기 및 냉장고를 포함하는 전체를 계로 선택한다면 이 계는 잘 차단되어 잇고 틈새가 없기 때문에 단열 밀폐계이며, 벽의 콘센트를 통한 전기에너지만이 에너지 교환에 관계될 수 있다. 에너지 보존원리에 의하면 방안의  에너지는 냉장고를 통해 공급받은 전기에너지만큼 증가되어야 한다. 냉장고나 모터는 증가된 에너지를 저장할 수 없다. 따라서 증가된 에너지는 방 안의 공기에 존재하게 되며 이는 공기의 온도상승을 명확히 해준다. 공기의 온도 증가는 에너지보존법칙을 바탕으로 공기의 상태량과 소모된 전기에너지의 양을 이용하여 계산할 수 있다.

 방 안의 냉장고가 작동되는 과정 동안 에너지가 보존됨을 주목하라. 즉, 전기에너지가 같은 양의 열에너지로 변환되어 방 안의 공기에 저장되는 것이다. 실제로 에너지보존의 의미는 에너지의 양(quantity)이 아닌 질(quality)의 보존이다. 예를 들어 가장 질이 높은 에너지인 전기에너지는 항상 같은 양의 열에너지로 변환될 수 있다. 가장 질이 낮은 에너지인 열에너지는 적은 일 부분만 전기로 다시 돌아갈 수 있다.

에너지는 열에너지, 역학적 에너지, 운동에너지, 위치에너지, 전기에너지, 자기 에너지, 화학에너지, 및 핵에너지와 같이 여러 가지 형태로 존재할 수 있으며 이들 합은 계의 총 에너지(total energy) E가 된다.

총에너지는 에너지의 변화만을 다룬다. 그러므로 계의 총에너지는 편의상 어떤 기준점에서 값을 영으로 놓을 수 있다. 예를 들어 낙하하는 바위의 위치에너지 감소는 높이 차이에 따라서만 달라지며 선택된 기준 위치에 따라서는 달라지지 않는다.

총에너지를 구성하는 여러 가지 형태의 에너지를 거시적 에너지와 미시적 에너지의 두 종류로 나누어 생각하는 것이 도움이 된다.

거시적(macroscopic)인 형태의 에너지는 운동에너지와 위치에너지처럼 어떤 좌표계에 대하여 계가 전체적으로 가지고 있는 에너지이다.

미시적(microscopic)인 형태의 에너지는 계의 분자 구조 및 분자의 운동 정도와 관련된 에너지이며, 외부의 좌표계와는 관계가 없다. 미시적 에너지의 총합을 내부에너지(internal energy)라고 하며, U로 나타낸다.