열역학 제1법칙: 두 판 사이의 차이
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{{열역학 법칙}}
'''[[열역학]] 제1법칙'''({{lang|en|The first law of thermodynamics}})은 보다 일반화된 [[에너지 보존법칙]]의 표현이다:
"어떤 계의 [[내부 에너지]]의 증가량은 계에 더해진 [[열 에너지]]에서 [[계]]가 외부에 해준 [[일]]을 뺀 양과 같다."
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여기서, <math>\mathrm{d}U</math>는 시스템 내부 에너지의 미소(infinitesimal)증가값이다. <math>\delta Q</math>는 시스템에 더해진 미소 [[열에너지량]]이다. <math>\delta W</math>는 시스템이 주변에 한 미소 "일" 값이다. 미소 열은 '''d'''가 아니라 '''δ'''로 표현되는데, 이는 그것이 [[완전미분]]이 아니라 [[불완전미분]]이기 때문이다. 다시 말해 미분해서 δQ 혹은 δW가 나오는 Q나 W에 관한 함수가 존재하지 않는다는 말이 된다.
[[불완전미분]]에 대한 적분은 [[경로 의존]]적이 된다.
열과 일은 앞서 살펴본 것처럼 계의 주어진 상태를 의미한다기 보다 상태가 변화되는 과정을 나타내는 것이므로 과정 또는 경로에 의존하는 경로함수이다. 하지만 이 둘의 합인
:<math>\mathrm{d}U=\delta Q-\delta W\,</math> 는 값은 경로에 무관한 상태함수이다.
q와 w 값은 계와 주위에 대해 상대적인 의미를 담고 있다. 즉 어느 과정에서 주위로부터 계로 전달된 열은 주위의 입장에서 보자면 계에 뺏긴 열에 해당된다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.
q계=-q주변
(q계: 주위에서 계에 전달된 열, q주변: 주위에서 계에 빼앗긴 열)
w계=-w주변
(w계: 주위에서 계에 행해진 일, w주변: 주위에서 계에 가해준 일)
따라서 delta U계=q계 + w계= -q주변-w주변=-deltaU주변
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1) 단열 팽창 또는 단열 압축 과정이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W 에서 Q = 0인 경우이다. 즉 외부로부터 열의 출입이 없는 경우이다. 그러면 E = -W가된다. 이는 외부와 열에너지 전달이 일어나지 않는 과정이다. 계(System)가 일을 하면 내부에너지는 그만큼 감소하고, 반대로 계가 외부로부터 일을 받으면 내부에너지는 그만큼 증가한다.
단열벽은 계에 출입하는 열을 완벽하게 막는다. 계와 주위 사이에서 에너지가 전달될 수 있는 방법은 오직 납알을 올리거나 내리는것 뿐이다. 피스톤 위에 납알을 올리면 기체가 압축되어 계가 한 일은 음의 값이고 내부에너지는 증가한다. 반면 납알을 내리면 기체가 팽창되어 계가 한 일은 양의 값이고, 내부에너지는 감소한다.
2) 자유 팽창 과정이다. 자유팽창은 계와 주위 사이에 열전달이 없고, 계가 일도 하지 않는 단열 과정의 일종이다. 열역학 제1법칙 E = Q - W 에서 Q = W = 0인 경우이다. 그러면 E = 0이 된다.
자유팽창에서 잠금마개가 열리면 기체는 자유팽창을 하여 양쪽 공간을 모두 채운다. 이때 두 공간은 단열되어 있으므로 외부와 열전달은 없다. 그리고 기체가 아무 압력도 받지 않고 진공으로 들어가므로 일도 없다.
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4) 넷째, 등온 과정이다. 온도를 일정하게 유지하고 압력과 부피를 변화시키는 과정으로, 열역학 제1법칙 E = Q - W 에서 E = 0인 경우이다. 따라서 Q = W가된다.
등온 과정을 따르므로, 즉 온도 변화가 없으므로 내부 에너지가 일정하고, 외부에서 공급되는 열에너지는 모두 일로 변한다.
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* {{글로벌세계대백과사전|제목=열역학의 제1법칙}}
[[분류:열역학]]
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