고립계
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1. 개요
고립계는 외부 환경과 에너지 및 물질 교환이 없는 시스템을 의미하며, 복사 단열은 이러한 고립계의 한 유형이다. 복사 단열은 완벽하게 전도성이 있고 복사를 완벽하게 반사하는 벽으로 둘러싸인 가상의 공간을 통해 설명될 수 있다. 막스 플랑크는 물질이 없는 공동 내부의 열 복사 평형을 연구하며, 완벽하게 반사적인 벽이 외부의 전자기적 영향으로부터 공동을 격리한다고 가정했다. 로제 발리앙은 복사를 양자화하기 위해 복사 단열 벽이 완벽하게 전도적이라고 상상하며, 벽과 상호작용하는 하전 입자를 포함하는 벽을 고려하기도 했다.
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- 물리계 - 열역학계
열역학계는 주변 환경과 상호작용하는 물질 또는 에너지의 집합으로, 고립계, 폐쇄계, 개방계로 나뉘며 열역학 연구 및 다양한 분야에서 활용되는 기본적인 틀이다. - 열역학 - 볼츠만 상수
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| 고립계 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 외부와의 상호작용이 없는 물리적 계 |
| 설명 | 고립계는 질량이나 에너지 그 어떤 것도 외부와 교환하지 않는 계이다. 실제 세계에서 완벽하게 고립된 계를 구현하는 것은 불가능하지만, 열역학적 분석을 단순화하기 위해 종종 이론적인 모델로 사용된다. |
| 예시 | 완벽하게 단열된 용기 안에 갇힌 기체, 우주 전체 (이론적) |
| 특징 | |
| 보존 법칙 | 고립계 내부의 총 에너지, 질량, 운동량은 시간이 지나도 변하지 않는다. 이는 에너지 보존 법칙, 질량 보존 법칙, 운동량 보존 법칙에 따른 결과이다. |
| 엔트로피 | 고립계의 엔트로피는 항상 증가하거나 일정하게 유지된다 (열역학 제2법칙). 자발적인 과정은 엔트로피를 증가시키는 방향으로 진행된다. |
| 응용 | 열역학적 과정 연구: 이상적인 고립계 설정을 통해 특정 과정의 에너지 변화 및 효율을 분석한다. 우주론 연구: 우주 전체를 고립계로 간주하여 우주의 진화를 연구한다. |
| 같이 보기 | |
| 관련 개념 | 열역학적 계 닫힌계 열린계 |
2. 복사 단열의 개념
복사 단열은 외부와의 복사 에너지 교환을 차단하여 내부 시스템의 온도를 유지하거나 변화시키는 과정을 말한다.
2. 1. 이상적인 복사 단열
복사 단열의 경우, 벽은 완벽하게 전도성이 있어야 하며, 예를 들어 플랑크가 상상한 것처럼 공동 내부의 복사를 완벽하게 반사해야 한다.[4][5][6]그는 처음에는 물질이 없는 공동 내부의 열역학적 시스템의 내부 열 복사 평형을 고려하고 있었다. 그는 그의 완벽하게 반사적이고 따라서 완벽하게 전도적인 벽을 무엇이 둘러싸고 있는지 언급하지 않았다. 아마도 그 벽은 완벽하게 반사적이므로 외부의 전자기적 영향으로부터 공동을 격리시킨다. 플랑크는 격리된 공동 내부의 복사 평형을 위해서는 공동 내부에 탄소 조각을 추가해야 한다고 주장했다.
완벽하게 반사적인 벽이 있는 공동에 우주론적 크기의 온도를 유지할 수 있을 만큼 충분한 복사 에너지가 포함되어 있다면, 복사가 전자-양전자 쌍과 같은 물질 입자를 생성하여 열역학적 평형에 도달하기 때문에 탄소 조각은 필요하지 않다.
로제 발리앙은 다른 접근 방식을 취한다. 그는 공동 내의 복사를 양자화하기 위해 복사 단열 벽이 완벽하게 전도적이라고 상상한다. 그는 외부 질량에 대해 언급하지 않고, 그의 맥락에서 독자가 공동 내부에 질량이 없다고 생각하도록 의도하는 것으로 보이지만, 그는 어떤 요인이 벽에 전류를 유발한다고 상상한다. 그 요인이 공동 내부에 있다면, 그것은 복사일 수밖에 없으며, 따라서 완벽하게 반사될 것이다. 그러나 열 평형 문제의 경우, 그는 공동 내부의 복사와 상호 작용하는 하전 입자를 포함하는 벽을 고려한다. 물론 이러한 공동은 격리되지 않지만 열욕조 안에 있는 것으로 간주될 수 있다.[7]
3. 막스 플랑크의 사고 실험
플랑크는 복사 단열의 경우, 벽은 완벽하게 전도성이 있어야 하며, 공동 내부의 복사를 완벽하게 반사해야 한다고 생각했다.
로제 발리앙은 다른 접근을 했다. 그는 공동 내 복사를 양자화하기 위해 복사 단열 벽이 완벽하게 전도적이라고 상상했다. 그는 외부 질량에 대해 언급하지 않았지만, 공동 내부에 질량이 없다고 생각하도록 의도하는 것으로 보인다. 그러나 열 평형 문제의 경우, 공동 내부 복사와 상호 작용하는 하전 입자를 포함하는 벽을 고려한다. 물론 이러한 공동은 격리되지 않고 열욕조 안에 있는 것으로 간주될 수 있다.[7]
3. 1. 플랑크의 가정
플랑크는 완벽하게 반사적이고 전도적인 벽으로 둘러싸인 공동을 가정했다. 이 벽은 외부의 전자기적 영향으로부터 공동을 격리시킨다.[4][5][6]3. 2. 탄소 조각의 역할
플랑크는 격리된 공동 내부의 복사 평형을 위해서는 공동 내부에 탄소 조각을 추가해야 한다고 주장했다.[4][5][6] 탄소 조각은 복사 에너지를 흡수하고 방출하여 열역학적 평형을 이루는 촉매 역할을 한다.만약 완벽하게 반사적인 벽이 있는 공동에 우주론적 크기의 온도를 유지할 수 있을 만큼 충분한 복사 에너지가 포함되어 있다면, 복사가 전자-양전자 쌍과 같은 물질 입자를 생성하여 열역학적 평형에 도달하기 때문에 탄소 조각은 필요하지 않다.
3. 3. 우주론적 규모의 복사 단열
플랑크는 처음에 물질이 없는 공동(空洞) 내부의 열역학적 시스템에서 열 복사 평형을 고려하였다. 그는 완벽하게 반사하고 전도하는 벽이 무엇으로 둘러싸여 있는지 언급하지 않았다. 아마도 그 벽은 완벽하게 반사되므로 외부의 전자기적 영향으로부터 공동을 격리시켰을 것이다. 플랑크는 격리된 공동 내부의 복사 평형을 위해서는 공동 내부에 탄소 조각을 추가해야 한다고 주장했다.[4][5][6]그러나 완벽하게 반사하는 벽이 있는 공동에 우주론적 크기의 온도를 유지할 수 있을 만큼 충분한 복사 에너지가 있다면, 복사가 전자-양전자 쌍과 같은 물질 입자를 생성하여 열역학적 평형에 도달하므로 탄소 조각은 필요하지 않다.
4. 로제 발리앙의 접근 방식
로제 발리앙은 양자화된 복사를 이용하여 복사 단열을 설명했다. 그는 복사 단열 벽이 완벽하게 전도적이라고 가정하여 공동(cavity) 내부의 복사를 양자화했다. 발리앙은 외부 질량에 대해서는 언급하지 않았지만, 벽에 전류를 유발하는 요인이 공동 내부에 있다면 그것은 복사일 수밖에 없으며, 따라서 완벽하게 반사될 것이라고 보았다.
4. 1. 발리앙의 가정
로제 발리앙은 다른 접근 방식을 취했다. 그는 공동 내의 복사를 양자화하기 위해 복사 단열 벽이 완벽하게 전도적이라고 상상했다. 그는 외부 질량에 대해 언급하지 않았고, 그의 맥락에서 독자가 공동 내부에 질량이 없다고 생각하도록 의도하는 것으로 보이지만, 그는 어떤 요인이 벽에 전류를 유발한다고 상상했다. 그 요인이 공동 내부에 있다면, 그것은 복사일 수밖에 없으며, 따라서 완벽하게 반사될 것이다.[7]4. 2. 열 평형 문제
로제 발리앙은 다른 접근 방식을 취한다. 그는 공동 내의 복사를 양자화하기 위해 복사 단열 벽이 완벽하게 전도적이라고 상상했다. 그는 열 평형 문제의 경우, 공동 내부의 복사와 상호 작용하는 하전 입자를 포함하는 벽을 고려한다. 물론 이러한 공동은 격리되지 않지만 열욕조 안에 있는 것으로 간주될 수 있다.[7]5. 열역학적 평형과의 관계
복사 단열의 경우, 벽은 완벽하게 전도성이 있어야 하며, 예를 들어 플랑크가 상상한 것처럼 공동 내부의 복사를 완벽하게 반사해야 한다.[4][5][6]
플랑크는 처음에는 물질이 없는 공동 내부의 열역학적 시스템의 내부 열 복사 평형을 고려하고 있었다. 그는 그의 완벽하게 반사적이고 따라서 완벽하게 전도적인 벽을 무엇이 둘러싸고 있는지 언급하지 않았다. 아마도 그 벽은 완벽하게 반사적이므로 외부의 전자기적 영향으로부터 공동을 격리시킨다. 플랑크는 격리된 공동 내부의 복사 평형을 위해서는 공동 내부에 탄소 조각을 추가해야 한다고 주장했다.
완벽하게 반사적인 벽이 있는 공동에 우주론적 크기의 온도를 유지할 수 있을 만큼 충분한 복사 에너지가 포함되어 있다면, 복사가 전자-양전자 쌍과 같은 물질 입자를 생성하여 열역학적 평형에 도달하기 때문에 탄소 조각은 필요하지 않다.
로제 발리앙은 다른 접근 방식을 취한다. 그는 공동 내의 복사를 양자화하기 위해 복사 단열 벽이 완벽하게 전도적이라고 상상한다. 그는 외부 질량에 대해 언급하지 않고, 그의 맥락에서 독자가 공동 내부에 질량이 없다고 생각하도록 의도하는 것으로 보이지만, 그는 어떤 요인이 벽에 전류를 유발한다고 상상한다. 그 요인이 공동 내부에 있다면, 그것은 복사일 수밖에 없으며, 따라서 완벽하게 반사될 것이다. 그러나 열 평형 문제의 경우, 그는 공동 내부의 복사와 상호 작용하는 하전 입자를 포함하는 벽을 고려한다. 물론 이러한 공동은 격리되지 않지만 열욕조 안에 있는 것으로 간주될 수 있다.[7]
참조
[1]
서적
Thermodynamics of Spontaneous and Non-spontaneous Processes
https://books.google[...]
Nova Publishers
2001
[2]
웹사이트
A System and Its Surroundings
http://chemwiki.ucda[...]
University of California - Davis
2016-02-03
[3]
웹사이트
Hyperphysics
http://hyperphysics.[...]
Department of Physics and Astronomy of Georgia State University
[4]
서적
The Theory of Heat Radiation
P. Blakiston's Son & Co.
1914
[5]
서적
Statistical Mechanics: the Theory of the Properties of Matter in Equilibrium
Cambridge University Press
1929
[6]
서적
Thermodynamics and Statistical Mechanics
Oxford University Press
1978
[7]
서적
From Microphysics to Macrophysics: Methods and Applications of Statistical Physics
Springer
1982
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