공조냉동기계산업기사 기체상태변화 — 계의 구분·상태량과 경로량·열역학 법칙

열역학적 계는 물질과 에너지를 주고받는 방식으로 나눈다. 밀폐계는 물질은 교환하지 않고 열과 일 같은 에너지만 교환한다. 개방계는 물질과 에너지를 모두 교환하고, 고립계는 물질도 에너지도 교환하지 않는다. 에너지만 교환하는 계를 묻는다면 밀폐계다.

상태량과 경로량은 결정 방식이 다르다. 상태량은 현재 상태만 정해지면 값이 결정되고 지나온 길과 무관하다. 온도와 압력, 체적, 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피가 여기에 든다. 반면 열과 일은 어떤 경로를 지나왔는지에 따라 값이 달라지는 경로량이다.

열역학 제0법칙은 열평형에 관한 법칙이다. 두 물체가 제3의 물체와 각각 열평형을 이루면 그 두 물체도 서로 열평형을 이룬다. 온도가 같다는 성질을 바탕으로 온도를 정의할 수 있게 한다.

열역학 제1법칙은 에너지 보존을 다룬다. 계에 들어온 열은 내부에너지 변화와 외부에 한 일로 나누어지며, 에너지의 총량은 변하지 않는다.

열역학 제2법칙은 열이 스스로 흐르는 방향과 과정의 비가역성을 규정한다. 열은 고온에서 저온으로 저절로 흐르고, 자연계에 아무 변화도 남기지 않으면서 일정 온도의 열을 계속 일로 바꾸는 기관은 존재하지 않는다. 외부에 변화를 일으키지 않고 열을 기계적 일로 완전히 바꾸는 것도 불가능하다. 제1법칙이 에너지 보존만 말하는 것과 구분해야 한다.

어떤 변화가 가역인지 비가역인지는 엔트로피로 판별한다. 판별 기준은 열역학 제2법칙이며, 가역 과정은 엔트로피 변화가 0이고 비가역 과정은 엔트로피가 증가한다.

엔탈피의 미분 관계는 정의식과 제1법칙을 결합해 얻는다. 엔탈피를 h=u+Apv로 두고 제1법칙 δq=du+Apdv와 결합하면 δh=δq+vdp가 된다. 압력항이 들어갈 자리에 체적항을 넣으면 관계식의 의미가 달라진다.