열평형
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1. 개요
열평형은 두 물체 또는 닫힌 계가 열적 접촉을 통해 에너지 교환을 하여 더 이상 상태 변화가 없을 때의 상태를 의미한다. 열평형은 열적으로 연결된 두 물체 간의 관계, 고립된 물체의 내부 상태, 열적 통신 상태에 놓인 물체, 중력장 내의 물질 분포 등 다양한 형태로 나타난다. 열역학적 평형과는 구분되며, 열 평형은 에너지 교환만 허용되는 반면, 열역학적 평형은 시스템의 상태 변수가 일정하게 유지되는 상태를 의미한다. 행성은 입사 에너지와 방출 에너지가 같을 때 열평형 상태에 도달하며, 열역학 제2법칙과 관련하여 고립계의 내부 상태 변화는 비가역적이다.
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- 열 - 열기관
열기관은 고온 열원에서 열을 받아 일을 하고 나머지를 저온 열원으로 방출하는 장치이며, 증기 동력, 가스 동력, 내연기관 등으로 분류되어 화력 발전소, 자동차 등 다양한 분야에 활용된다. - 열 - 화상
화상은 열, 화학물질, 전기, 방사선 등으로 피부와 조직이 손상되는 것으로, 심한 정도에 따라 증상이 다르게 나타나며 원인에 따라 다양한 치료법이 적용되고 심각한 경우 생명을 위협할 수 있다. - 온도 - 절대 영도
절대영도는 열역학적으로 정의된 최저 온도로, 물질 입자의 에너지가 최소 상태이며, 엔트로피가 0이 되지만, 양자역학적 영점 진동으로 인해 실험적으로 도달할 수 없고, 극저온에서 특이한 양자 현상이 나타나며, 열역학 제3법칙에 따라 유한 번의 조작으로 도달할 수 없다. - 온도 - 상온
상온은 분야에 따라 다르게 정의되며, 라이프 사이언스에서는 20℃, 미생물학에서는 25℃, 일본산업규격에서는 5~35℃, 일본약국방에서는 15~25℃의 온도 범위를 의미한다. - 물리량 - 전위
전위는 전기장 내 단위 전하의 위치 에너지로, 정전기학에서는 기준점에 따라 정의되며 전위차만이 의미를 갖고, 전기장의 음의 기울기로 표현되고, 전기 공학에서는 회로 해석에 활용된다. - 물리량 - 전기장
전기장은 공간의 각 지점에서 단위 전하가 받는 힘으로 정의되는 벡터장으로, 전하 또는 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 발생하며, 전기력선으로 표현되고 맥스웰 방정식으로 기술되는 전자기장의 한 요소이다.
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2. 열평형의 종류
두 물체가 열평형 상태에 있다는 것은 두 물체의 온도가 같고, 두 물체 사이에 열의 이동이 없음을 의미한다. 이는 역학에서 물체가 정지해 있을 때 평형 상태에 있는 것과 유사하게, 열의 이동이 없을 때 열평형 상태가 되는 것이다.
2. 1. 열적으로 연결된 두 물체 간의 열평형
뜨거워진 주전자 속의 물을 식히려면 주전자를 차가운 찬물 속에 담가 놓으면 된다. 이때 뜨거웠던 물의 온도는 내려가고 동시에 주위의 물 온도도 올라간다. 이것은 주전자의 뜨거운 물이 주위의 물로 옮겨져서 주전자 속의 물은 식고 주위의 물은 따뜻해진다고 생각할 수 있다. 일반적으로 고온의 물체와 저온의 물체를 접촉시키면 고온의 물체에서 저온의 물체로 열이 이동한다. 그리고 고온의 물체는 온도가 내려가고 저온의 물체는 온도가 올라간다. 이와 같은 열의 이동을 열전도라고 한다. 뜨거워진 주전자를 물 속에 담가두면 주전자의 물은 식고 주위의 물은 따뜻해지며, 시간이 지나면 주전자의 물과 주위의 물은 온도가 같아진다. 이렇게 해서 열의 이동이 끝난다. 이와 같이 두 개의 물체가 있고, 그것들의 온도가 같으며, 두 물체 사이에 열의 이동이 없을 때 이 두 물체는 열평형 상태에 있다고 한다. 역학에서는 물체가 정지하고 있을 때 그 물체는 평형 상태에 있다고 한다. 열의 경우도 마찬가지로 열이 정지하고 있을 때 열평형이 되어 있는 것이다.온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 양쪽의 온도가 같아지고 열평형이 이루어지려면 어느 정도의 시간이 걸린다. 온도계를 물체에 접촉시켜서 그 물체의 온도를 측정할 때 열평형 상태에 도달하기까지는 온도계의 수은주가 시간과 함께 변화한다. 이 때문에 열평형에 도달하기 전에 온도를 측정해도 정확한 온도의 값을 구할 수 없다. 물체 A가 물체 B와 열평형에 있고, 또 물체 A가 물체 C와 열평형에 있을 때 물체 B와 물체 C는 열평형 상태에 있다. 이것을 세 물체간의 열평형 법칙이라고 한다. 물체 A와 물체 B가 열평형에 있으면 A의 온도와 B의 온도는 같다. 마찬가지로 물체 A와 물체 C가 열평형에 있으면 A의 온도와 C의 온도는 같다. 따라서 A와 B가 열평형, A와 C가 열평형 상태이면 B의 온도와 C의 온도는 같으며, 물체 B와 물체 C는 열평형 상태가 된다. 이와 같이, 세 물체간의 열평형 법칙은 당연한 것을 말한 것 같다. 그러나 진보된 이론에 의하면 이 법칙을 바탕으로 해서 온도라는 것의 의미가 수학적으로 엄밀하게 해석되는 것이다.
열평형 관계는 두 물체 사이의 평형의 한 예시이며, 이는 선택적으로 투과성 있는 물질의 격벽 또는 일(work)을 통한 이동을 의미하며, 이를 투열 연결이라고 한다. Lieb과 Yngvason에 따르면, 열평형 관계의 본질적인 의미는 반사적이고 대칭적이라는 것을 포함한다. 그것이 추이적인지 아닌지는 본질적인 의미에 포함되지 않는다. 정의의 의미론에 대해 논의한 후, 그들은 "열역학 제0법칙"이라고 부르는 실질적인 물리적 공리를 가정하는데, 이는 열평형이 추이 관계라는 것이다. 그들은 그렇게 확립된 시스템의 동등성 클래스를 등온선이라고 언급했다.[1]
2. 2. 고립된 물체의 내부 열평형
고립된 물체의 열평형은 외부와 열 교환 없이 물체 내부에서 열적으로 안정한 상태를 의미한다. 고립계는 시간이 충분히 지나면 거시적인 변화가 감지되지 않는 자체적인 열평형 상태에 도달한다.[2] 이 상태는 반드시 다른 종류의 내부 평형(예: 화학 평형)을 의미하는 것은 아니다. 예를 들어, 유리는 내부 열평형 상태에 있지만 화학 평형 상태는 아니다.[2]처음에는 자체적인 내부 열평형 상태가 아니었던 고립계도 오랜 시간이 지나면 온도의 공간적 균일성을 나타내는 최종 상태에 도달할 수 있다.[3] 이러한 상태의 존재는 고전 열역학의 기본 전제이며,[4][5] 때로는 열역학의 마이너스 제1법칙이라고도 불린다.[6] 하지만 다체 국소화된 고립된 양자 시스템은 절대 내부 열평형에 도달하지 않는 예외적인 경우이다.
3. 열적 접촉
열전달은 닫힌 계로 열이 유입되거나 유출될 수 있으며, 열전도 또는 열 저장소로의 열복사를 통해 이루어진다. 순수한 열 전달이 일어나는 동안에는 계가 열평형 상태에 있지 않으며, 온도가 변할 수 있다.
4. 열적 통신 상태에 놓인 물체
개별적으로 균일한 온도를 가진 물체들이 전도 또는 복사 경로를 통해 열적으로 연결되면, 변화가 없을 때 열평형 상태에 도달한다. 그러나 처음에 열평형 관계가 아니었다면, 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 열이 흐르며, 이 흐름은 열평형에 도달하여 온도가 같아질 때까지 계속된다.[7][8]
열평형의 한 형태는 복사 교환 평형이다. 각자 균일한 온도를 가진 두 물체는, 서로 얼마나 멀리 떨어져 있든, 또는 부분적으로 방해하거나 반사하거나 굴절하는 장애물이 복사 교환 경로에 있든 상관없이, 상대적으로 움직이지 않으면서 열 복사를 교환하며, 순수한 결과로 뜨거운 물체는 차가운 물체로 에너지를 전달하고, 정확히 같은 온도일 때 동일하고 반대되는 양을 교환한다. 이러한 상황에서는 키르히호프의 복사율과 흡수율의 등식 법칙과 헬름홀츠 상호성 원리가 적용된다.[7][8]
5. 고립계의 내부 상태 변화
고립계인 물리계가 단열벽으로 분리된 하위 시스템을 갖지 않은 상태에서 충분히 오래 방치되면, 보통 자체적으로 열적 평형 상태에 도달하며, 이 상태에서는 온도가 전체적으로 균일 분포를 이룬다. 하지만 평형에 도달하는 것을 막는 구조적 장벽이 있다면 반드시 열역학적 평형 상태에 도달하는 것은 아니다. 유리가 그 예이다.
고립된 물리계는 불균일하거나 벽으로 서로 분리된 여러 하위 시스템으로 구성될 수 있다. 처음 불균일한 물리계가 내부 벽 없이 열역학적 조작에 의해 고립되거나, 벽으로 서로 분리된 여러 하위 시스템으로 구성된 경우, 벽을 바꾸는 열역학적 조작 후에는 일반적으로 시간이 지남에 따라 내부 상태가 변한다. 이러한 변화에는 구성 물질의 상태 변화에 따른 온도 변화 또는 온도 공간 분포 변화가 포함될 수 있다. 처음에 한쪽 끝은 뜨겁고 다른 쪽 끝은 차갑게 준비된 쇠막대기는 고립되면 온도가 전체적으로 균일해지도록 변한다. 그 과정에서 쇠막대기는 온도가 균일해질 때까지 열적 평형 상태에 있지 않다. 뜨거운 물에 떠 있는 얼음 덩어리로 준비된 시스템이 고립되면 얼음이 녹을 수 있는데, 녹는 동안은 열적 평형 상태에 있지 않지만 결국 온도는 균일해진다. 이때 얼음 덩어리는 다시 형성되지 않는다. 휘발유 증기와 공기의 혼합물로 준비된 시스템은 스파크에 의해 점화되어 이산화탄소와 물을 생성할 수 있다. 만약 이것이 고립된 시스템에서 발생한다면, 시스템의 온도를 높이고, 증가하는 동안 시스템은 열적 평형 상태에 있지 않지만, 결국 시스템은 균일한 온도로 정착될 것이다.
이러한 고립된 시스템의 변화는 비가역적이다. 즉, 시스템이 같은 방식으로 준비될 때마다 이러한 변화가 자발적으로 발생하지만, 반대 변화는 고립된 시스템 내에서 자발적으로 거의 일어나지 않는다. 이것이 열역학 제2법칙의 중요한 내용 중 하나이다. 완벽하게 고립된 시스템은 자연계에 존재하지 않으며, 항상 인위적으로 준비된다.
5. 1. 중력장에서의 열평형
매우 높은, 단열된 강성 벽으로 둘러싸인 용기에 초기에는 열적으로 불균일하게 분포된 물질이 담겨 있고, 지구와 같은 외부 물체로 인한 안정적인 중력장의 영향을 받아 오랜 시간 동안 그 긴 차원(높이)을 따라 놓여 있는 시스템을 생각해 볼 수 있다. 이 시스템은 전체적으로 균일한 온도를 갖는 상태로 정착될 것이지만, 압력이나 밀도는 균일하지 않으며, 여러 상(phase)을 포함할 수 있다. 이 상태는 내부 열평형 상태이며, 심지어 열역학적 평형 상태에 있다. 이는 시스템의 모든 국부적인 부분이 상호 복사 교환 평형 상태에 있음을 의미한다. 즉, 시스템의 온도가 공간적으로 균일하다는 의미이다.[8] 이는 균일하지 않은 외부 힘장(force field)을 포함한 모든 경우에 해당한다. 외부에서 가해지는 중력장의 경우, 변분법을 통해 라그랑주 승수법을 사용하여 거시적인 열역학적 관점에서 이를 증명할 수 있다.[9][10][11][12][13][14] 운동 이론 또는 통계 역학적 고려 사항 또한 이 주장을 뒷받침한다.[15][16][17][18][19][20][21]6. 열 평형과 열역학적 평형의 구분
열 평형은 두 물체 또는 닫힌 시스템 간의 관계이며, 에너지 전달만 허용되고 열에 투과성 있는 격자를 통해 발생한다. 전달이 진행되어 물체의 상태가 더 이상 변하지 않을 때까지 지속된다.[22]
열역학적 평형 상태에서 시스템의 상태 변수는 측정 가능한 속도로 변하지 않는다. "측정 가능한 속도"라는 단서는 지정된 과정과 정의된 실험 조건에 대해서만 평형을 고려할 수 있음을 의미한다.[22] 열역학적 평형 상태는 주어진 물질의 다른 어떤 상태보다 더 적은 거시적 변수로 설명될 수 있다. 단일의 고립된 물체는 열역학적 평형이 아닌 상태에서 시작하여 열역학적 평형에 도달할 때까지 변할 수 있다.[22]
C.J. 애드킨스는 '열 평형'과 '열역학적 평형' 사이의 명확한 구별을 제시한다. 그는 두 시스템이 열 교환은 허용되지만, 일 교환은 제한될 수 있다고 가정한다. 이 경우 두 시스템은 자연스럽게 열을 교환하여 온도가 같아지는 열 평형에 도달하지만, 일반적으로 열역학적 평형 상태에 있지는 않다. 두 시스템이 일 교환까지 허용될 때 비로소 열역학적 평형에 도달할 수 있다.[23]
B. C. 유는 '열 평형'과 '열역학적 평형' 사이의 또 다른 구별점을 제시한다. 그는 열적 접촉 상태에 있는 두 시스템, 즉 온도계와 여러 비가역적 과정이 발생하는 다른 시스템을 고려한다. 이때 관심 있는 시간 척도에서 온도계 판독값과 비가역적 과정이 모두 일정하게 유지되는 경우가 존재할 수 있다. 이는 열역학적 평형이 없는 열 평형 상태이다. 결과적으로 유는 열역학 제0법칙이 열역학적 평형이 존재하지 않을 때에도 적용될 수 있다고 제안한다. 또한, 변화가 너무 빠르게 발생하여 일정한 온도를 정의할 수 없을 경우 "이러한 과정을 열역학적 형식주의로 더 이상 설명할 수 없다. 즉, 열역학은 그러한 과정에 대해 아무런 의미가 없다"고 제안한다.[24]
7. 행성의 열 평형
행성은 도달하는 입사 에너지(일반적으로 모항성으로부터의 태양 복사)가 적외선 에너지로 우주로 방출되는 에너지와 같을 때 열 평형 상태에 있다.
참조
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