개념 한 쪽
열역학은 열과 일의 관계를 다루며, 0법칙은 온도와 열평형, 1법칙은 에너지 보존, 2법칙은 변화의 방향, 3법칙은 절대영도의 한계를 규정한다. 비열은 정압비열이 정적비열보다 기체상수만큼 크고, 엔탈피는 내부에너지에 압력과 체적의 곱을 더한 상태량이다.
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출제기준 단원 「기본개념(비열, 일, 열, 온도,에너지, 엔트로피 등)」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열역학 법칙 표현 | 1 | 저온에서 고온으로 열을 옮기는 일이 없다는 서술의 법칙 고르기 |
| 온도 측정 원리 | 1 | 온도계 작동과 관련 깊은 성질 고르기 |
| 열평형 의미 | 1 | 두 물체가 이른 상태의 뜻 고르기 |
0법칙은 온도 측정의 바탕이다. 두 물체를 접촉하면 열은 고온에서 저온으로 이동하고, 두 물체의 온도가 같아지면 열 이동이 멈춘다. 이 상태가 열평형이며, 열평형은 두 물체의 온도가 같고 변화하지 않는 상태를 뜻한다. A와 B가 평형이고 B와 C가 평형이면 A와 C도 평형이라는 전이성이 성립한다. 온도계가 대상을 재는 것도 온도계와 대상이 열평형에 도달하기 때문이다.
1법칙은 에너지 보존 법칙이다. 에너지는 생성되거나 소멸하지 않고 형태만 바뀌며, 열은 일로, 일은 열로 바뀔 수 있다. 밀폐계에서는 받은 열이 내부에너지 증가와 외부에 한 일로 나뉘어 Q = ΔU + W가 성립하고, 내부에너지 변화는 질량과 정적비열과 온도 변화를 곱한 ΔU = mCvΔT다. 이 식을 일에 대해 정리하면 W = Q − mCvΔT가 된다. 날개로 5090 kJ의 일을 넣고 탱크가 1500 kJ을 방열하면 내부에너지 변화는 3590 kJ이다.
2법칙은 변화의 방향을 정한다. 열은 고온 열원에서 저온 물체로 이동하지만 반대로 스스로 돌아갈 수는 없는 비가역 변화다. 저온체에서 고온체로 열을 전달하는 것 외에 아무 효과도 발생하지 않는 장치를 만드는 것은 불가능하며, 이를 클라우지우스 서술이라 한다. 가역 단열 과정은 열 출입도 손실도 없어 엔트로피 변화가 0인 등엔트로피 과정이고, 엔트로피가 증가한다고 보는 설명은 틀리다. 마찰은 에너지를 열로 바꾸어 비가역성을 만든다. 3법칙은 절대영도의 한계를 다룬다.
비열은 두 가지로 나뉜다. 정압비열 Cp는 압력을 일정하게 두고 가열할 때의 비열이고, 정적비열 Cv는 부피를 일정하게 두고 가열할 때의 비열이다. 압력이 일정하면 기체가 팽창하며 외부에 일을 하므로 같은 온도 상승에 더 많은 열이 필요하다. 그래서 Cp = Cv + R이 성립하고 정압비열이 정적비열보다 항상 기체상수만큼 크다.
상태량도 함께 익힌다. 삼중점은 고체와 액체와 기체가 평형을 이루는 점이고, 압력이 높아지면 끓는점이 올라간다. 엔탈피는 내부에너지에 압력과 체적의 곱을 더한 값으로 H = U + PV이며, 변화량은 ΔH = ΔU + Δ(PV)다. 내부에너지 변화가 없으면 엔탈피 변화는 압력과 체적의 곱의 변화만 남는다. 50 kPa에서 2m³이던 상태가 1000 kPa에서 0.2m³로 가면 처음 곱이 100 kJ, 나중 곱이 200 kJ이므로 엔탈피는 100 kJ 늘어난다.
법칙을 고르는 문제는 낱말로 가른다. 온도계와 열평형은 0법칙, 에너지 보존과 열과 일의 등가 변환은 1법칙, 열의 자발적 방향과 비가역성과 엔트로피는 2법칙, 절대영도의 한계는 3법칙이다. 계산에서는 정압비열이 정적비열보다 기체상수만큼 크고, 밀폐계 내부에너지는 정적비열로 구한다. 날개 일 5090 kJ에서 방열 1500 kJ을 빼면 내부에너지가 3590 kJ 늘고, 일은 W = Q − mCvΔT로 정리한다. 내부에너지 변화가 없는 상태 변화에서 50 kPa × 2m³ = 100 kJ이 1000 kPa × 0.2m³ = 200 kJ이 되면 엔탈피 증가량은 100 kJ다.
[사이클로 작동되면서 저온체에서 고온체로 열을 전달하는 것 외에 아무 효과도 발생하지 않는 장치를 제작하는 것은 불가능하다.]는 표현은 어떤 법칙의 표현인가?
정답 ③ · 이 문제는 사이클이 외부의 효과 없이 저온체에서 고온체로 열을 옮기는 것이 불가능하다는 서술이 어떤 법칙인지 묻는다. 이는 열의 자연적 흐름 방향성을 규정한 열역학 제2법칙의 클라우지우스 서술에 해당하며, 저온체에서 고온체로 열을 이동시키려면 반드시 외부에서 일을 가해야 함을 의미한다.
저온체에서 고온체로 열을 전달하는 장치(냉동기)는 외부 일의 입력 없이는 작동할 수 없으며, 이는 열역학 제2법칙이다.
온도계를 이용하여 온도를 측정하는 것과 가장 관련있는 것은?
정답 ① · 온도계로 온도를 측정할 수 있는 열역학적 근거를 묻는 문제이다. 온도 측정은 측정 대상과 온도계가 열평형에 도달하면 온도계의 지시값이 대상의 온도와 같다고 보는 원리에 기반하는데, 이 열평형의 전이성을 규정한 것이 열역학 제0법칙이다.
온도계 측정은 열평형 상태의 전이 원리를 기반으로 하므로 열역학 제0법칙이 핵심이다.
두 물체를 접촉시켰더니 잠시 후 두 물체가 열평형 상태에 도달하였다. 이 열평형 상태는 무엇을 의미하는가?
정답 ① · 두 물체가 접촉 후 도달한 열평형 상태의 의미를 묻는 문제이다. 열평형이란 두 물체 사이에 더 이상 순열 이동이 없어 온도가 서로 같아지고 변화하지 않는 상태를 뜻한다.
열평형 상태란 두 물체 간 열 이동이 멈추고 온도가 동일하게 유지되는 상태를 의미한다.
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