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열역학 PART 1 [열의 정의] 본문
책 읽듯이 정독해 주시길 바랍니다.
하늘에서 새하얀 눈이 내린다. 날씨에 따라 눈의 크기가 달리지는 것을 아는가?
바로 핵생성 반응 때문이다. 온도 변화 속도에 따라 눈의 결정 크기가 달라진다.
온도 변화가 매우 느릴 때 눈의 결정은 커진다. 함박눈은 매우 큰 결정을 가지고 있다.
눈은 소리를 죄다 흡수한다. 크리스마스의 고요한 밤은 여기서 유래 된 것이다.
순수한 물을 가져와 천천히 얼려보자. 어는점까지 온도가 내려가도 얼지 않는다.
충격을 주었더니 얼어 버렸다. 과냉각 현상이다. 신기한 일이다. 보통의 이론으로는 설명하기 어렵다.
이런 부류의 문제들은 오래전부터 난제로 불려 왔다. 오랜 연구로 비밀을 밝혀 낼 수 있게 되었다.
학자들은 그 연구를 ‘열역학 법칙’이라고 명명했다.
열역학에 대해 알아보자.
이번 포스팅의 목표는 [ 이론 정의와 Thermal systems(열역학의 계) ]의 대략적인 이해다.
Ch 1. Energy in Thermal Physics(열 에너지의 물리학)
열은 무엇인가? 에너지? 운동?
활활 타오르는 불을 보자. 불은 무엇인가?
입자인가? 플라즈마인가? 단순 에너지 덩어리인가? 무엇으로 열을 정의해야 하는가?
우리는 열역학(Thermodynamics)에서 열의 정의를 똑바로 해야 한다.
열은 물체의 온도를 변화시키는 에너지의 한 형태로 크기가 존재한다.
1.1 Thermal equilibrium(열 평형)
Thermal equilibrium에서 equilibrium는 계를 한참 내버려 두었을 때 도달하게 되는 최종 상태를 뜻한다.
예를 들어 뜨거운 커피를 상온에 내버려 두었을 때 커피의 온도는 어떻게 되는가? 상온과 똑같아진다. 물론 상온 또한 극히 작은 온도 변화가 있을 것이다. 0에 수렴할 테니 생각 안 해도 될 것이다.
앞으로 우린 이 미지근한 커피를 열평형 되었군, 이라 생각할 수 있다.
그렇다면 이 반대말은 무엇일까? non equilibrium(비 평형 상태)이다. 이 이론은 완벽하지 않아 앞으로 언급하지 않을 것이다.
이를 보면 열 평형에도 종류가 있음을 알 수 있다.
열 평형의 종류
- Thermal equilibrium(열 평형): 열의 흐름이 일어나지 않을 때를 말한다.
- Diffusive equilibrium(확산 평형): 입자의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해 균형을 이룰 때를 말한다.
- Mechanical equilibrium (역학적 평형 or 기계적 평형) : 힘의 균형을 유지하여 물체가 정지하거나 일정한 운동 상태에 있을 때를 말한다.
앞서 열에는 크기가 있다고 언급했다.
열 크기의 척도인 Temperature(온도)의 단위에도 종류가 있다.
온도의 단위
- °C : Celsius(섭씨 온도) 1 atm에서의 물의 어는점을 0도, 끓는점을 100도로 정한 온도 체계이다. 영어를 발음이 섭씨다.
- °F : Fahrenheit(화씨온도)미국 본인들이 강대국이라고 자기들만 쓰는 온도. 섭씨온도의 변환 식은 °F = (9/5)°C+32 이다.
- K : Kelvin(절대 온도) SI 단위이다. 켈빈은 절대 온도를 측정하기 때문에, 0K 은은 절대 영도이며, 섭씨 0도는 273.15K에 해당한다. 변환 식은 K = °C +273.
열역학은 아주, 아주 많은 입자에 대해서 다룹니다. 적은 입자들로는 다룰 수 없습니다. 일반적으로 10의 23승 정도의 입자들을 다룹니다. 독자분의 핸드폰 입자들 말입니다.
이러한 이유는 통계가 쓰이기 때문입니다. 나중에는 무질서도에 관한 엔드로피를 언급하게 될 텐데 여기서 확률을 사용합니다.
멀쩡한 계란을 바닥에 떨어트렸을 때 깨진 계란까지의 과정을 생각해 보세요.
부서지지 않은 계란으로 다시 만들 수 있습니까? 불가능합니다.
이를 통해 시간은 한 방향으로 흐른다는 것을 알 수 있습니다. 이 현상은 사실 매우 이상한 겁니다! 왜 한 방향이어야 합니까?
물체가 부서질 때 어디로 흩뿌려 질지 모릅니다. 확률이지요. 그렇다면 멀쩡한 계란으로 원상 복귀되는 확률이 분명 존재할 텐데 우리는 왜 그럴 일이 발생할 가능성은 없다고 인지할까요?
이를 설명하기 위해 통계와 확률이 사용됩니다.
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물리학과 학부 용으로 쓰이는 열물리학 교재입니다. 기초적인 물리학과 미적분을 이해하고 있다면 이 책을 이해하는 데에 별어려움은 없을 것입니다. 단 한국어판이 없다는 점 주의해 주시길 바랍니다.
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