공조냉동기계기사 열역학 제 0법칙 — 온도 평형의 전이성과 법칙 구분

제0법칙은 온도 평형이 옮겨 간다는 성질을 말한다. 두 물체가 각각 제3의 물체와 온도가 같으면 그 두 물체도 서로 온도가 같다는 것이며, 이 성질이 있어서 온도계로 온도를 잴 수 있다. 온도계가 A와 같은 온도를 가리키고 B와도 같은 온도를 가리키면 A와 B가 서로 같은 온도라는 것을 우리가 믿을 수 있는 까닭이 바로 여기에 있다. 그래서 제0법칙을 온도 측정의 기초라고 부른다.

법칙마다 맡은 몫이 다르다. 제1법칙은 에너지 보존을 다루고, 제2법칙은 엔트로피와 열이 흐르는 방향을 다루며, 제3법칙은 절대영도에서의 엔트로피를 다룬다. 열원에서 받은 열을 아무 흔적도 남기지 않고 전부 일로 바꾸는 것이 불가능하다는 설명은 제2법칙의 서술이므로, 이를 제1법칙 설명으로 내놓으면 법칙과 거리가 먼 설명이 된다. 「온도 평형」은 제0법칙, 「에너지 보존」은 제1법칙이라는 짝으로 갈라 두면 판정이 빨라진다.

제1법칙의 기본 꼴은 계가 받은 열에서 계가 외부로 한 일을 빼면 내부에너지 변화가 된다는 것이다. 계가 167 kJ을 흡수하며 20 kJ의 일을 했으면 내부에너지는 147 kJ 늘고, 80 kJ을 흡수하며 20 kJ의 일을 했으면 60 kJ이 는다. 부호를 뒤집으면 값이 어긋나므로, 들어온 열은 더하고 나간 일은 빼는 규칙을 먼저 적고 계산하는 편이 안전하다.

과정의 조건이 붙으면 식이 줄어든다. 부피가 변하지 않는 정적 과정에서는 외부로 하는 일이 0이므로 받은 열이 그대로 내부에너지 변화가 된다. 열을 출입하지 않는 단열 과정에서는 Q가 0이므로 한 일의 절대량이 내부에너지가 줄어든 양과 같아진다. 두 조건을 서로 바꾸어 놓거나 등온 조건과 섞으면 오답이 된다.

부호가 겹치는 계산도 이 자리에서 나온다. 정압으로 압축하면서 열을 방출하면 일도 열도 음의 부호를 가지므로 두 번 빼는 셈이 되어 내부에너지가 늘어난다. 0.3 MPa에서 체적이 8 m³에서 4 m³로 줄고 500 kJ을 방출했다면 일은 300 × (4 − 8) = −1,200 kJ이고, 내부에너지 변화는 −500 − (−1,200) = 700 kJ이 된다.