두 물체가 열평형 상태에 있을 때 관련된 열역학 법칙은?
- 열역학제0법칙
- 열역학제1법칙
- 열역학제2법칙
- 열역학제3법칙
정답과 해설 보기
정답 ① · 문항은 두 물체가 열평형에 있을 때 관련된 열역학 법칙을 묻고 있다. 온도의 평형성과 온도 정의에 관한 기본 원리는 열역학 제0법칙에 해당한다.
열평형 상태는 온도의 평형을 의미하며, 이는 열역학 제0법칙의 정의와 직접적으로 관련되어 있다.
개념 한 쪽
가스산업기사 열역학 법칙 — 제0~제3법칙과 상태방정식
열역학 법칙은 온도와 에너지의 거동을 규정한다. 제0법칙은 열평형과 온도의 정의를, 제1법칙은 에너지 보존을, 제2법칙은 열의 흐름 방향과 비가역성을, 제3법칙은 절대영도의 특성을 다룬다. 기체의 상태를 다루는 상태방정식과 기체상수의 단위 관계도 열역학의 기본 개념에 속한다.
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시험에 이렇게 나온다
출제기준 단원 「열역학 법칙」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열평형 법칙 식별 | 1 | 열평형 전이성과 온도 정의가 어떤 법칙인지 식별하기 |
| 이상기체 질량 계산 | 1 | 상태방정식과 단위 변환을 이용해 기체의 질량을 계산하기 |
| 상태방정식과 포텐셜 구분 | 1 | 제시된 식이 상태방정식인지 분자간 포텐셜인지 구분하기 |
뜻
열평형의 개념을 규정하는 법칙은 열역학 제0법칙이다. 두 물체가 각각 제3의 물체와 열평형이면 서로도 열평형이라는 전이성이 제0법칙의 핵심이며, 이를 통해 온도의 정의가 성립한다.
에너지의 보존을 다루는 법칙은 제1법칙이다. 계의 내부에너지 변화는 계로 들어온 열과 계에 가해진 일과의 관계로 표현되며, 열과 일의 부호 규약을 명확히 적용해야 한다.
자연 과정의 방향성, 즉 열이 고온에서 저온으로 흐른다는 사실을 제시하는 법칙은 제2법칙이다. 제2법칙은 비가역성과 엔트로피 개념을 통해 자연 현상의 한쪽 방향으로의 진행을 설명한다.
절대영도와 관련된 법칙은 제3법칙이다. 제3법칙은 어떤 계의 온도를 절대영도(0K)까지 내리는 것이 불가능하며, 절대영도에서 엔트로피가 수렴하는 특성을 규정한다.
기체의 거시적 상태를 연결하는 관계식으로 이상기체 상태방정식 PV = nRT 또는 질량 기준의 PV = mR_specificT가 사용된다. 기체상수의 단위는 상태방정식의 차원 분석으로 유도할 수 있으며, 일반기체상수는 일의 단위를 사용하면 kg·m/(kmol·K)로 표현된다.
예제
대표 문제 유형은 이상기체 상태방정식을 이용한 질량 계산이다. 예를 들어 산소가 20℃, 5m³의 탱크에 있고 압력이 10kgf/cm²일 때 질량을 구하는 경우, 먼저 온도를 켈빈으로 변환하여 T=293K로 놓는다. 주어진 보편기체상수 R_universal이 848kg·m/kmol·K일 때 산소의 분자량 32로 나누어 특정기체상수 R_specific=848/32≈26.5kg·m/kg·K를 구한다. 압력 단위는 10kgf/cm²=100000kgf/m²로 환산하고 상태방정식 m=PV/(R_specific T)에 대입하면 m≈500000/(26.5×293)≈64.4kg의 결과를 얻는다. 계산 과정에서는 온도와 압력 단위, 보편상수와 특정상수의 구분을 반드시 확인해야 한다.
또 다른 유형은 상태방정식과 미시적 포텐셜의 구분 문제이다. 반데르발스·클라우지우스·베르텔로 식은 상태방정식인 반면 렌나드-존스 식은 분자 간 상호작용 포텐셜을 나타내는 함수로 상태방정식에 해당하지 않음을 판별해야 한다.
열역학 제1법칙 적용 문제에서는 압축일의 부호와 열의 출입을 정확히 적용해야 내부에너지 변화 값을 올바르게 구할 수 있다. 예시는 압축으로 약 3kcal의 일이 들어오고 3.7kcal가 외부로 방출되면 내부에너지 변화가 약 -0.7kcal가 되는 계산 절차를 보여준다.
대표 기출 3문항
산소가 20℃, 5m³의 탱크 속에 들어있다. 이 탱크의 압력이 10kgf/cm²이라면 산소의 질량은 약 몇 kg인가? (단, 기체상수 R은 848kg·m/kmol·K이다.)
- 0.644
- 1.55
- 55.3
- 64.5
정답과 해설 보기
정답 ④ · 문제는 탱크 내 산소의 질량을 이상기체 상태방정식으로 구하는 계산 문제이다. 이상기체 식을 질량 형태로 쓰면 m = PV/(R_specific T)이고, 산소의 분자량 32kg/kmol이므로 R_specific = 848/32 = 26.5 (kg·m/kg·K).
이상기체 상태방정식 PV=mRT를 변형하여 질량 m=PV/RT에 각 값을 대입하여 계산하면 산소의 질량을 구할 수 있다.
다음 중 증기의 상태 방정식이 아닌 것은?
- van der Waals식
- Lennard-Jones식
- Clausius식
- Berthelot식
정답과 해설 보기
정답 ② · 문제는 증기의 상태 방정식이 아닌 것을 고르는 문제이다. 반데르발스식, 클라우지우스식, 베르텔로식은 실제기체의 비이상적 거동을 설명하는 상태방정식(또는 상태방정식 계열)에 해당한다.
Lennard-Jones식은 분자 간 상호작용 포텐셜 에너지 함수이므로 상태 방정식이 아니다.
자주 묻는 물음
- 열평형을 규정하는 법칙은 무엇인가?
- 열평형의 전이성과 온도 정의를 규정하는 법칙은 열역학 제0법칙이다.
- 열은 어떤 방향으로 흐른다고 말하는 법칙은 무엇인가?
- 열이 고온에서 저온으로 흐른다는 방향성과 비가역성을 제시하는 법칙은 열역학 제2법칙이다.
- 상태방정식과 렌나드-존스 식은 어떻게 구분하나?
- 반데르발스·클라우지우스·베르텔로 식 등은 P, V, T의 거시적 관계를 나타내는 상태방정식이고, 렌나드-존스 식은 분자 간 상호작용 포텐셜 함수이므로 상태방정식에 해당하지 않는다.
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