열역학 과정
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1. 개요
열역학 과정은 열역학적 시스템의 상태가 변하는 과정을 의미하며, 순환 과정, 유동 과정, 준정적 과정 등으로 분류된다. 준정적 과정은 열역학적 평형에 가깝게 유지되면서 무한히 느리게 진행되는 이상적인 과정이며, 압력-부피, 온도-엔트로피, 화학 퍼텐셜-입자 수와 같은 켤레 변수 과정을 통해 분류할 수 있다. 또한, 열역학 제2법칙에 따라 자연 과정, 가역 과정, 비자연 과정으로 구분된다.
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| 열역학 과정 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 열역학적 과정은 열역학 계의 초기 열역학적 평형 상태에서 최종 열역학적 평형 상태로의 변화이다. |
| 설명 | 일반적으로 열역학적 과정은 계의 열역학적 상태를 변화시킨다. 시스템에 작용하는 과정은 준정적(느린)이거나 비정적(빠른)일 수 있다. |
| 예시 | 등온 과정 등압 과정 등적 과정 단열 과정 등엔탈피 과정 가역 과정 비가역 과정 |
| 경로 독립적 과정 | |
| 정의 | 상태 함수가 일정한 상태로 유지되는 열역학적 과정 |
| 예시 | 등온 과정 등압 과정 등적 과정 단열 과정 |
| 분류 | |
| 분류 기준 | 열역학 과정은 다양한 기준에 따라 분류될 수 있다. |
| 일반적인 분류 | 등온 과정: 일정한 온도에서 일어나는 과정 등압 과정: 일정한 압력에서 일어나는 과정 등적 과정: 일정한 부피에서 일어나는 과정 단열 과정: 열 교환이 없는 과정 등엔트로피 과정: 일정한 엔트로피에서 일어나는 과정 등엔탈피 과정: 일정한 엔탈피에서 일어나는 과정 |
| 준정적 과정 vs 비가역 과정 | |
| 준정적 과정 | 계가 항상 평형 상태에 매우 가깝게 유지되도록 충분히 느리게 진행되는 과정 |
| 비가역 과정 | 계가 평형 상태에서 멀어지는 과정 |
| 참고 문헌 | |
| 추가 정보 | 열역학 열역학 계 열역학 평형 |
2. 열역학적 과정의 종류
열역학적 과정은 다양한 기준으로 분류할 수 있다. 각 과정은 특정 조건에서 에너지 전달과 상태 변화를 특징으로 한다.
열역학적 과정은 크게 순환 과정과 유동 과정으로 나눌 수 있다. 순환 과정은 시스템이 일련의 상태 변화를 거쳐 초기 상태로 되돌아오는 과정이며, 유동 과정은 특정 벽 속성을 가진 용기 안팎으로 정상 상태의 흐름이 있는 과정을 말한다.
2. 1. 순환 과정 (Cyclic process)
순환 과정은 시스템이 일련의 상태 변화를 거쳐 초기 상태로 되돌아오는 과정이다. 각 단계에서의 상태 변화보다는 전달되는 에너지의 양이 중요하며, 반복적으로 시스템을 원래 상태로 되돌리는 과정이다.[1] 이상적인 경우, 준정적 과정으로 가정하여 연속적인 평형 상태를 유지하며 진행되는 것으로 간주한다.[1]2. 2. 유동 과정 (Flow process)
유동 과정은 특정 벽 속성을 가진 용기로 들어오고 나가는 정상 상태의 흐름을, 시스템을 통한 흐름으로 정의한다. 용기 내용물의 내부 상태는 주요 관심사가 아니다. 주요 관심 대상은 들어오고 나가는 물질의 상태이며, 부수적으로 용기에 대한 열, 일, 운동 및 위치 에너지의 전달이다. 들어오고 나가는 물질의 상태는 내부 상태와 전체 몸체로서의 운동 및 위치 에너지를 포함한다. 매우 자주, 입력 및 출력 물질의 내부 상태를 설명하는 양은 내부 열역학적 평형 상태에 있는 것으로 가정하여 추정한다. 빠른 반응이 허용되므로 열역학적 처리는 정확하지 않고 대략적일 수 있다.3. 준정적 과정 (Quasi-static process)
준정적 열역학적 과정은 시스템의 상태 변수 변화를 그래프로 나타내어 시각화할 수 있다. 예시에는 네 개의 준정적 과정으로 구성된 사이클이 표시되어 있다. 각 과정은 압력-부피 상태 공간에서 명확하게 정의된 시작점과 끝점을 갖는다. 이 예에서 과정 1과 3은 등온 과정이고, 과정 2와 4는 등적 과정이다. PV 다이어그램은 준정적 과정을 시각화하는 데 특히 유용한데, 과정의 곡선 아래 면적이 해당 과정 동안 시스템이 수행한 일의 양이기 때문이다. 따라서 일은 과정의 시작점과 끝점 사이의 특정 경로에 따라 정확한 값이 달라지므로 과정 변수로 간주된다. 마찬가지로, 열도 과정 동안 전달될 수 있으며, 이 역시 과정 변수이다.[1]
'''준정적 과정'''은 이론 연구에서 고려되는 열역학적 "과정"의 이상화된 모델이다. 이는 물리적 현실에서는 발생하지 않는다. 시스템이 열역학적 평형에 무한히 가까운 상태를 유지하며 무한히 느리게 일어나는 것으로 상상할 수 있다.[1]
4. 켤레 변수 과정 (Conjugate variable processes)
켤레 변수 쌍은 에너지 전달과 관련된 두 변수의 관계를 나타낸다. 특정 과정에서 한 변수는 상수로 유지되는데, 이러한 변수들을 쌍으로 묶어서 분석하는 것이 유용할 때가 많다. 각 쌍에서 상수로 유지되는 변수는 공액 쌍의 한 구성원이 된다.
4. 1. 압력-부피 (Pressure-volume)
압력-부피 켤레 쌍은 일의 결과로 발생하는 기계적 에너지 전달과 관련이 있다.- '''등압 과정'''은 일정한 압력에서 발생한다. 예를 들어, 실린더 내부의 압력이 대기와 분리되어 있더라도 항상 대기압을 유지하도록 움직일 수 있는 피스톤을 실린더 내부에 설치할 수 있다. 즉, 시스템은 움직이는 경계에 의해 일정한 압력의 저장소에 '''동적으로 연결'''되어 있다.
- '''등적 과정'''은 부피가 일정하게 유지되는 과정으로, 시스템이 수행하는 기계적 PV 일은 0이 된다. 반면에, 시스템 내부에 위치한 회전식 패들을 구동하는 샤프트를 통해 등적 과정으로 시스템에 일을 할 수 있다. 따라서 하나의 변형 변수를 갖는 단순한 시스템의 경우, 시스템에 외부적으로 전달되는 모든 열 에너지는 내부 에너지로 흡수된다. 등적 과정은 '''등용적''' 과정 또는 '''등체적''' 과정이라고도 한다. 예를 들어 재료로 채워진 밀폐된 양철 캔을 불 속에 넣는 경우가 있다. 처음 근사적으로 캔은 팽창하지 않으며, 유일한 변화는 내용물이 내부 에너지를 얻어 온도와 압력이 증가하는 것이다. 수학적으로 δQ|δQ=dU영어이다. 시스템은 강성 경계에 의해 환경으로부터 '''동적으로 절연'''되어 있다.
4. 2. 온도-엔트로피 (Temperature-entropy)
- '''등온 과정'''은 일정한 온도에서 발생하는 과정이다. 예를 들어, 크고 일정한 온도의 열조에 잠겨 있고 '''열적으로 연결된''' 닫힌계가 있다. 계가 행해진 일로 얻는 에너지는 열조로 손실되어 온도가 일정하게 유지된다.
- '''단열 과정'''은 '''열적으로 절연된 벽'''이 계를 주변 환경으로부터 분리하기 때문에 물질이나 열 전달이 없는 과정이다. 이 과정이 자연스러우려면, (a) 계에 유한한 속도로 일을 해야 한다. 따라서 계의 내부 에너지가 증가하고, 열적으로 절연되어 있음에도 불구하고 계의 엔트로피가 증가한다. 또는 (b) 계가 주변에 일을 해야 하며, 주변은 계로부터 에너지를 얻을 뿐만 아니라 엔트로피의 증가를 겪게 된다.
- '''등엔트로피 과정'''은 통상적으로 에너지 전달이 일의 형태로 이루어지는 이상적인 준정적 가역 단열 과정으로 정의된다. 그렇지 않고, 일정한 엔트로피 과정에서 비가역적으로 일을 하면 열 전달이 필요하므로, 과정은 단열이 아니며 정확한 인위적 제어 메커니즘이 필요하다. 따라서 이러한 과정은 일반적인 자연 열역학적 과정이 아니다.
4. 3. 화학 퍼텐셜-입자 수 (Chemical potential-particle number)
위에서 언급한 과정들은 경계가 입자에 대해 불투과성을 띤다고 가정했다. 그렇지 않은 경우, 강성이지만 하나 이상의 유형의 입자에 투과성을 띤 경계를 가정할 수 있다. 이 경우, 입자의 이동을 통해 에너지 이동과 관련된 화학 퍼텐셜–입자 수의 짝에 대해서도 유사한 고려가 적용된다.- '''일정 화학 퍼텐셜 과정'''에서 시스템은 입자 투과 경계를 통해 일정 μ 저장고에 ''입자 이동 연결''되어 있다.
- 여기서 짝을 이루는 것은 일정 입자 수 과정이다. 이것들은 바로 위에 설명된 과정들이다. 입자 이동에 의해 시스템에 에너지가 추가되거나 차감되지 않는다. 시스템은 입자에 불투과성이지만 일 또는 열로서 에너지 이동을 허용하는 경계에 의해 환경으로부터 ''입자 이동 절연''된다. 이러한 과정은 열역학적 일과 열이 정의되는 과정이며, 이러한 경우 시스템은 닫힌 상태라고 한다.
5. 열역학적 포텐셜 (Thermodynamic potentials)
어떤 열역학적 포텐셜이든 과정 동안 일정하게 유지될 수 있다. 예를 들어,
6. 열역학 제2법칙에 따른 과정 분류
플랑크에 따르면 열역학적 과정은 크게 자연 과정, 가상 가역 과정, 불가능 또는 부자연 과정의 세 가지로 분류할 수 있다.[2][3]
6. 1. 자연 과정 (Natural process)
자연에서 자발적으로 발생하는 열역학 과정은 비가역적이며, 계의 전체 엔트로피를 증가시킨다.[2] 이러한 과정은 제약 조건이 제거되거나 다른 열역학적 조작이 가해질 때 자발적으로 일어날 수 있다. 과포화 증기의 응축과 같이 준안정 또는 불안정한 계에서 발생할 수 있다.[4] 플랑크는 계와 주변 환경 사이의 물질 또는 에너지 이동과 관련된 자연 열역학 과정의 중요한 특징으로 마찰의 발생을 강조했다.6. 2. 가역 과정 (Reversible process)
열역학에서 '자연 과정'은 계 사이의 이동으로 엔트로피의 총합이 증가하는, 비가역적인 현상을 의미한다.[2] 자연 과정은 자연에서만 발생한다.가역 과정은 평형 상태의 열역학적 함수 간의 관계를 나타내는 그래프 표면의 기하학적 구조를 설명하기 위해 허구적으로 생각할 수 있는 이상적인 과정이다. 가역 과정은 그래프 표면에서 경로를 추적하는 편리한 이론적 대상이지만, 실제로는 항상 비가역적인 자연 과정만이 발생한다. 경로 상의 점들이 열역학적 평형점이기 때문에, 이 경로로 설명되는 "과정"을 허구적으로 "가역적"이라고 부른다.[2] 가역 과정은 항상 준정적 과정이지만, 모든 준정적 과정이 가역 과정은 아니다.
7. 한국 사회와 열역학적 과정
열역학적 과정은 에너지, 환경, 산업 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 한국은 에너지 효율 향상, 지속 가능한 발전, 그리고 첨단 기술 개발에 대한 관심이 높다. 예를 들어, 스마트 팩토리 구축, 신재생 에너지 활용 확대, 수소 경제 구축 등은 모두 열역학적 과정과 밀접하게 관련되어 있다.
참조
[1]
서적
Methods of Thermodynamics
Blaisdell
1965
[2]
서적
Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists
North-Holland
1967
[3]
서적
Generalized Thermodynamics
M.I.T. Press
1966
[4]
서적
Treatise on Thermodynamics
https://archive.org/[...]
Longmans, Green & Co.
1903
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