열역학 1법칙과 2법칙

소개글

열역학 1법칙과 2법칙에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1.The First Law of Thermodynamics 열역학 제 1법칙

2.The Second Law of Thermodynamics 열역학 제 2법칙

본문내용

지나서 대기의 온도와 같아지거나, 대기압보다 높은 상태의 용기속의 기체가 새어나와서 결국 용기의 압력이 대기압과 같아지거나, 자유낙하한 물체가 다시 위로 떠오르지 않는 등의 현상은 어찌 보면 당연한 현상들이다. 이들은 공통적으로 한쪽 방향으로의 과정만 일어나며, 아무런 외부 조건 없이 자연스럽게 다시 처음의 상태로는 돌아가지 않는다. 이 외에도 자연 상태에서 일어나는 화학반응 이라든지, 마찰, 전기저항, 물체의 소성변형 등의 과정도 한쪽 방향으로만 일어나는 현상들이다.
이를 열역학에서 비가역적 과정이라 하며 반대로 열역학적 과정을 마친 후 완전히 다시 초기 상태로 돌아가는 과정을 가역적 과정이라고 한다.
실제 상태에서는 비가역적인 과정밖에 일어나지 않고, 가역적인 과정은 이론으로만 정의되나, 열역학적인 설명이나 이론의 해석을 위해선 상태의 가역적인 가정 또한 꼭 필요하다.
statement of second law 열역학 제 2법칙에 대한 설명
열역학 제 2법칙에 대해 여러 가지의 개념과 설명 등이 있지만, 가장 대표적인 것이 클라지우스(Clausius)의 서술과 켈빈-플랑크(Kelvin-Planck)의 설명이 있다.
Clausius Statement of The 2nd Law:
▶찬 물체에서 더운물체로의 열전달 과정에 있어서, 오직 열에만 의한 에너지 전달이 일어나는 시스템은 불가능하다.
그림에서와 같이 뜨거운 물체에서 찬물체로의 열전달은 가능 하지만, 그 반대 과정은 일어날 수 없다는 것이다. 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 열을 이동시키려면 그만큼의 일이 시스템 내부로 들어와야 한다. 에어콘을 생각하면 쉽게 이해가 된다.
Kelvin-Planck Statement of The 2nd law:
▶사이클로 작동되고, 유일한 reservoir로부터 받은 열전달량과 같은 양의 순 량의 일을 생산하는 것 이외에, 주위에 아무런 영향을 주지 않는 장치를 만드는 것은 불가능하다.
참고서적을 해석하기가 껄끄러워서 다시 설명을 덧붙이자면, 하나의 reservoir(열 에너지원)와 열전달을 하면서 외부에 일을 하며 작동하는 시스템은 없다는 것이다. 곧 열이 일로 변환되더라도 버려지는 일은 반드시 있고, 그 열은 반대쪽의 reservoir로 들어간다는 말이 된다. 다시 생각해 보면 들어가는 열량과 꼭 같은 일이 출력 되지 않는다는 말이 되고 이는
라고 표현 할 수 있다.
이 부분에서 착안하여 열역학 제 2법칙을 효과적으로 설명하기 위해 나타난 개념이 바로 엔트로피(Entropy)이다.
먼저 closed 시스템에서의 엔트로피 balance를 살펴보면 다음과 같이 쓸 수 있다.
[엔트로피 변화]=[엔트로피 전달] +[엔트로피 생성]
한 상태에서 다른 상태로 변화과정 중에는 엔트로피의 전달과 엔트로피의 생성이 함께 일어난다는 것이다.
위 식을 통해 엔트로피 증가의 원리가 설명 된다.
//
고립된 상태에서의 에너지 변화는 없고, 또한 시스템과 외부의 에너지 전달은 각각 보존 되므로 둘의 합 역시 0이다. 즉 에너지는 보존 된다 라는 열역학 제1법칙을 만족하고 있다.
그런데 이와는 다르게 고립된 상태에서의 엔트로피 변화는
인데 고립된 상태이므로 엔트로피 전달은 일어나지 않는다.
그러므로 결국 으로 표현되며 이는 엔트로피 전달이 일어나지 않아도 실제반응에서는 모든 반응이 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어난다는 뜻을 담고 있다.
Control volume에서의 엔트로피 변화율 balance
control volume에서 엔트로피의 시간에 대한 변화율을 알아보면,
[엔트로피 변화율] = [엔트로피 전달율] + [엔트로피 생성율]
위와 같이 표현 할 수 있으며 입구와 출구의 mass flow가 같은 steady state에서의 엔트로피 balance는 엔트로피 변화율이 0이 되는
위 식으로 표현 할 수 있다.
열역학 제 1법칙과 열역학 제 2법칙에 대한 반성 및 견해
‘모든 에너지는 소멸 되지 않고 보존 된다’ 라고 하는 열역학 제 1법칙과 ‘모든 반응과정은 무질서해지는 쪽으로 일어난다’ 라고 하는 열역학 제 2법칙을 앞의 내용과 같이 정리 해보았다. 실제로 열역학 1법칙과 2법칙은 실생활에 아주 밀접하게 관련되어 그 이론이 적용되고 있으며 과거보다 더 나은 현재의 삶을 가져오는데 큰 역할을 했다.
열역학 1법칙의 가장 중요한 개념인 에너지는 소멸이나 생성되지 않고 보존된다는 점은 에너지 절약의 필요성과 대체에너지 개발의 시급성을 동시에 생각하게 만드는 부분이다. 여러 가지 형태의 에너지가 최종 변환되는 단계는 열에너지 인데, 시스템 외부로 방출되는 열에너지를 재사용하기는 기술적으로도 어려울뿐더러, 열에너지로 전환되는 에너지의 증가는 지구 환경계의 심각한 문제로 대두 된다.
열역학 2법칙에서는 모든 반응과정은 엔트로피가 증가하는 방향으로 이루어진다는 것인데, 그러므로 터빈이나 엔진 같은 주요 기계적 장치에서는 상대적으로 효율이 높은, 즉 반응이후의 엔트로피 증가율을 최소로 만드는 가술이 상당히 요구되며, 비단 기계계통 뿐만 아니라 공학이 사용되는 모든 곳에서 공학도들의 성실하며 참된 연구와 발전의 자세가 필요 할 듯 싶다. 또한 열역학 제2법칙 같은 경우는 경제학이나 사회학, 인문학, 철학적인 영역에도 그 이론의 성격이 일치하기 때문에 자연 현상뿐만 아니라 인간의 내면 연구나 더 나아가 초자연적인 현상에도 그 이론이 적용 될 수 있을 것 같다.
가장 기본이 되면서, 가장 중요하며, 또 한 가장 자연스러운 열역학의 두 가지 법칙이 앞으로의 미래를 한 단계 더 발전시키기를 기대하며 마무리 한다. 　

☞Fundamental of Engineering Themodynamics 5th ed. / Michael J. Moran & howard N. shapiro / WILEY
☞열역학 / Richard E. Sonntag ; Claus Borgnakkle ; Gordon J. Van Wylen 저 ; 박영무 [외]공역.
☞그림으로 이해하는 열역학 / 小暮陽三 著 ; 심증수 譯.
☞네이버 백과사전 / http://100.naver.com

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