Transcript 열역학2.
열역학 II : 열과 열역학법칙 열(Heat) : 온도차이 때문에 한 곳에서 다른 곳으로 전달되는 에너지 T2 T1 T1 T2 내부에너지가 더 크다 접촉 차가운 쪽은 내부에너지를 얻고, 뜨거운 쪽은 내부 에너지를 잃는다. 두 물체가 도달하는 온도 : T3 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 에너지 전달 T1 T3 T2 열에 의한 팽창 (thermal expansion) 열 부피 증가, 밀도 감소 대부분의 물질은 열을 받으면 팽창한다. 예외) 물(water)과 얼음(ice) 얼음이 녹으면 (열을 가함) 부피가 줄어들고, 물이 얼면 (열을 빼앗음) 부피가 늘어난다. - WHY? 그 밖에 물이 갖는 특별한 성질은 무엇인가? - 다음주 발표자? 열전달 방식 (Heat Transfer) 전도(conduction) : 분자들의 충돌에 의한 에너지전달 대류(convection) : 분자들의 실제 이동에 의한 전달 복사(radiation) : 빛(전자기파)의 형태로 에너지전달 물을 끓일때 처음에는 전도에 의해 열전달 온도가 증가하면 대류에 의한 전달 열 왜 뜨거운 물(혹은 공기)는 위로 올라가는가? 온도의 증가 – 분자의 평균속력 증가 – 팽창에 의한 밀도 감소 아래쪽의 물이 윗쪽의 물보다 밀도가 작다 – 아래쪽 물이 올라가고 윗물이 내려온다 (대류) 복사의 정체는? 빛 (전자기파, electromagnetic wave) 주파수 A M F M U H F 마 이 크 로 파 적 외 선 가 시 광 선 자 외 선 X-선 감마선 온도가 높으면 높은 주파수의 복사(빛)이 나온다. 태양 : 가시광선, 지구 : 적외선 유리 : 가시광선은 통과시키나 적외선은 차단 – Greenhouse 효과 열역학 법칙 열역학 (Thermodynamics) = Thermo (열) + dynamics (역학) 내부에너지 1. 분자들의 운동에너지 2. 분자들 간의 상호작용 에너지 3. 존재 에너지 E mc 2 내부에너지만이 온도에 관계된다 : 온도 = 분자의 평균 운동에너지 열역학 제1법칙 가해진 열량 = 내부 에너지 증가 + 외부에 한 일 가해진 열 = 1. 온도(내부에너지) 증가 기체 2. 부피 팽창 (한 일) 제1법칙은 에너지 보존 법칙 열에너지 열역학 제2법칙 열접촉 前 열접촉 後 T3 T2 T1 T1 T3 T2 T1 T2 왜 다음과 같은 일은 일어나지 않는가? 열접촉 前 T2 T1 T1 T2 열접촉 後 T0 T0 T1 , T4 T4 T2 열역학 제2법칙 : 열은 스스로 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 흐르지 않는다. 열기관 (heat engine) 열효율 = 투입된 열량과 한 일의 비 고온 Q1 W Q2 Q1 일 Q2 열손실 저온 W W Q1 Q2 Q2 1 Q1 Q1 Q1 모든 열기관에서 열이 전부 일로 전환되지 않는다. 열역학 제2법칙 : 높은 온도와 낮은 온도 사이에서 돌아가는 열기관이 일을 할 때, 입력된 열의 일부만이 일로 전환되고 나머지는 낮은 열원 쪽으로 방출된다. * 열효율이 100%인 열기관은 존재할 수 없다. * 가솔린 엔진의 경우 26%만이 자동차 운동에 소모된다. 제1법칙 “에너지 보존법칙” : 에너지는 생겨나거나 소멸되지 않는다. 에너지의 양(量)에 관한 법칙 제2법칙 : 유용한 (고질의) 에너지 형태에서 덜 유용한 (저질의) 에너지 형태로 전환된다. 모든 현상은 질서로부터 무질서를 향한 쪽으로 일어난다. 비가역성 (irreversibility) 10개의 동전이 모두 앞면 앞면과 뒷면의 숫자가 반반 질서 (order) 무질서 (disorder) 물속에 잉크방울이 한 곳에 모여 있을 때 잉크방울이 골고루 퍼져 있을 때 질서 (order) 무질서 (disorder) 다음 장면은? 물이 완전히 쏟아져 버리고 컵은 깨진다. 엔트로피 (entropy) 계의 무질서도를 나타내는 척도 클라지우스(R. Clausius 1822-88) ‘열의 역학적 이론에 관하여’ : tropy (변화, 변형) 열역학 제2법칙 : 엔트로피는 감소하지 않는다. 계(system)와 환경(environment) 계 : 물, 환경 : 열, 대기 대기 물 1) 고립된 계 : 환경과 전혀 상호작용이 없다. 그릇을 통해 열전달이 안되며 물이 증발하지도 않는다. 예) 우주 * 우주의 엔트로피는 항상 증가한다. 열에너지 2) 열린 계 : 주위와의 에너지 및 분자의 교환이 일어난다. * 계의 엔트로피와 주위 환경 엔트로피의 합이 감소하지 않는다. * 열린 계만의 엔트로피는 감소할 수 있다. 예) 생명체 엔트로피 : 시간의 화살 자연 현상의 방향성 - 질서 -> 무질서의 방향으로만 발생한다. 시간의 흐름 Newton역학은 시간대칭적이다 엔트로피 : 정보의 척도 모두 1의 눈을 가진 주사위 : 주사위는 단 한 개의 가능한 상태만을 갖는다. 정보의 수 = 0, 엔트로피 = 0 정상적인 주사위 : 모두 6개의 상태수를 가지며 각 눈이 나올 확률이 1/6로 모두 같다 – 최대의 정보량 엔트로피가 최대값을 갖는다. 엔트로피 : 열 평형 물속에 잉크가 골고루 퍼져 더 이상의 변화가 없을 때 ; 무질서도가 최대가 되어 엔트로피도 최대가 된다. : 열적 평형상태 (equilibrium), 열죽음 (heat death) •우주의 열죽음 : big bang 이후 계속적으로 엔트로피가 증가하여, 결국에는 우주공간에 물질이 골고루 퍼져 더 이상의 변화가 없는 죽음의 상태에 이를 것이라는 비관적 예측 Jeremy Rifkin “Entropy” 제2법칙을 통한 새로운 패러다임(paradigm) 주장 우주는 완벽한 질서에서 점점 혼란스러운 상황으로 변해간다. 그리스 Platon, Aristoteles 사상의 복원과 근대 기계문명 비판. 인류 역사나 경제제도등에 대해 제2법칙의 무분별한 확대적용 경향. Ilya Prigogine “Order out of Chaos”, “From Being To Becoming” 1977년 “비평형 산일구조의 열역학”에 관한 연구로 Nobel 화학상 수상 비평형 비선형 상태는 평형에 가까운 (선형) 상태와 다르다. 현재의 은하계, 태양계와 같은 질서가 탄생할 수 있다. 생명현상도 그와 같은 예의 하나다. : 우주의 “열죽음” 상태를 피할 수 있다.