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물리계

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목차

1. 개요

물리계는 물리학에서 연구 대상이 되는 시스템을 의미하며, 하나의 물체, 입자, 물체나 입자들의 집합, 또는 공간의 일부 영역 등 다양한 형태를 가질 수 있다. 열역학에서 계는 관심 대상이 되는 우주의 한 부분으로, 외부와의 에너지 및 물질 교환 허용 여부에 따라 열린계, 닫힌계, 고립계로 분류된다. 고립계는 에너지 보존 법칙, 닫힌계는 질량 보존 법칙, 단열계는 엔트로피 증가의 법칙이 적용되며, 양자역학에서는 상태함수로 표현되는 우주의 한 부분을 의미한다.

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물리계
개요
정의물리학에서, 물리계는 분석을 위해 선택된 우주의 일부이다.
설명물리계는 분석의 대상이 되는 물리적 객체들의 집합을 의미한다. 과학자들은 이 용어를 물리적 대상의 집합체를 지칭하기 위해 큰 고민 없이 사용한다.
중요성물리계의 개념은 물리학의 거의 모든 연구에서 언급될 정도로 매우 보편적이다.
종류양자역학적 계는 개방계로 간주되어야 한다.
구성 요소
내용물리계는 경계에 의해 둘러싸여 있으며, 이는 계를 둘러싼 공간에서 분리한다.
상호작용물리계는 외부와 상호작용할 수 있다.

2. 정의

유효한 계는 다음과 같이 정의된다.[9]


  • 하나의 물체 또는 입자일 수 있다.
  • 물체나 입자들의 집합일 수 있다.
  • 공간의 일부 영역일 수 있다. (예: 4행정 기관 실린더의 내부)
  • 크기와 모양이 변할 수 있다.


이와 같은 정의에 따라 계는 경계를 가지며 이에 따라 계 내부와 그를 둘러싼 환경으로 구분된다.

3. 열역학의 계

열역학에서 '''계'''는 관심의 대상이 되는 우주의 한 부분을 말한다. 계를 제외한 나머지 우주를 주위라 부른다. 계는 일정량의 물질과 공간을 포함해야 하며, 온도, 부피, 엔트로피 등 계의 상태를 기술할 수 있는 몇 가지 변수를 포함해야 한다.[10]

계는 고립계, 닫힌계, 열린계 세 가지로 분류된다. 고립계는 주위와 에너지 교환이 불가능하므로 필연적으로 열적 평형에 이르게 되며, 이때 엔트로피는 최대가 된다. 따라서 고립계의 엔트로피는 비가역적으로 증가하는데, 이를 열역학 제2법칙이라고 한다. 반면, 주위와 에너지와 물질을 교환할 수 있는 비고립계는 조건에 따라 엔트로피가 감소할 수도 있다.[10]

3. 1. 열역학적 분류

열역학적 관점에서 계는 외부와의 허용되는 에너지 이동 형태에 따라 분류된다. 외부와 물질의 이동을 허용하는 계는 '''열린계'''(개방계, open system)라고 하고, 외부와 물질의 이동을 허용하지 않는 계는 '''닫힌계'''(폐쇄계, closed system)라고 한다.[10]

열역학에서 고려되는 에너지 이동 형태는 일과 열, 그리고 물질(질량)의 이동에 따른 에너지 이동이다. 여기서 말하는 일은 피스톤-실린더계와 같은 힘과 변위의 곱으로 표현되는 기계적인 일뿐만 아니라, 전기적인 에너지 이동 등 열역학에 의존하지 않고 고찰이 가능한 에너지 이동을 포함한다. 질량의 이동은 예를 들어 가솔린 엔진의 경우, 연소실로의 가솔린과 공기의 흡입이나, 연소 후의 배기 등을 의미한다. 가솔린과 같은 연료는 화학적인 에너지를 내재하고 있으며, 연소에 따라 그것이 방출되므로 가솔린 흡입은 에너지 유입으로 볼 수 있다.[10]

연소와 같이 급격한 화학 반응을 동반하는 상황뿐 아니라, 방의 환기처럼 실내외 온도와 습도가 다른 공기 교환에 따라서도 에너지가 이동한다.[10]

닫힌계 중에서 물질 이동과 더불어 열에 의한 에너지 이동도 허용하지 않는 계는 '''단열계'''(adiabatic system영어)라고 한다. 더 나아가 단열계 중에서 물질 이동, 열뿐만 아니라 일에 의한 에너지 이동까지 허용하지 않는, 즉 모든 에너지 이동을 허용하지 않는 계는 '''고립계'''(isolated system)라고 부른다.[10]

외부와의 에너지 이동에 제한이 있는 계에서는 그 제한에 따른 법칙이 성립한다. 고립계에서는 에너지 보존 법칙, 단열계에서는 엔트로피 증가의 법칙, 닫힌계에서는 질량 보존 법칙[7]이 성립한다.[10]

계가 열을 교환하는 외부를 열욕(heat bath영어), 질량을 교환하는 외부를 입자욕(particle bath영어)이라고 부른다.[10]

3. 2. 열역학 법칙과 계

열역학에서 계는 외부와의 에너지 이동 형태에 따라 분류된다. 외부와의 에너지 이동에 제한이 있는 계에서는 그 제한에 따른 법칙이 성립한다. 고립계에서는 에너지 보존 법칙이, 단열계에서는 엔트로피 증가의 법칙이, 닫힌계에서는 질량 보존 법칙[7]이 성립한다. 계가 열을 교환하는 외부를 열욕(heat bath), 질량을 교환하는 외부를 입자욕(particle bath)이라고 부른다.

3. 3. 열역학적 계의 예시


  • '''열린계'''

:** 마개가 열린 플라스크

:** 세포 내 환경environment영어[8]
:** 큰 수조 안에 잠긴, 마개가 닫힌 플라스크

:** 온실

:** 특정 힘만을 외부와 주고받는 물체

  • '''단열계'''

:** 단열재로 덮인 플라스크

4. 에너지의 변환과 전달

고립계에서는 에너지와 물질을 주위와 교환하지 않으므로 에너지가 더해지거나 줄어들 이유가 없다. 한편 비고립계에서는 에너지가 계의 경계를 넘을 수 있기 때문에 결과적으로 계의 전체 에너지가 변화한다. 이 경우 계와 주위의 상호작용은 에너지 변환의 원인이 된다. 예를 들어 전등에 불을 켜면 전기 에너지는 전자기 복사를 통해 빛과 열로 변환되어 계의 밖으로 전달된다. 이러한 에너지의 변환과 전달 과정에서 변환 전의 총 에너지 량과 변환 후의 총 에너지 량은 여전히 일정하게 유지되는데, 이를 에너지 보존 법칙이라고 한다.[11]

한편 비고립계의 단위 시간당 에너지 변화는 단위 시간당 일의 양과 같은 의미가 된다. 이를 일률이라고 한다.[12]

5. 양자역학의 계

양자역학에서 '계'는 상태 함수로 표현되는 우주의 한 부분을 말한다.[13] 이 상태함수는 이 계에 대해 양자역학적인 모든 정보를 담고 있으며, 상태함수를 안다면 계에 대해서도 완벽히 알게 된다는 것이 양자역학의 기본 원리 중 하나이다. 비상대론적 양자역학에서, 슈뢰딩거 방정식은 시간에 따라 계의 상태함수가 어떻게 변하는지를 묘사하는 방정식이다.

참조

[1] 서적 Physical Systems: Conceptual Pathways between Flat Space-time and Matter https://books.google[...] Springer Science & Business Media 2012-02-02
[2] 서적 Foundations of Physics http://link.springer[...] Springer Berlin Heidelberg 1967
[3] 서적 The Theory of Open Quantum Systems Oxford University Press 2007
[4] 서적 アトキンス物理化学要論 東京化学同人
[5] 서적 物理学入門 日科技連
[6] 서적 新版 量子論の基礎―その本質のやさしい理解のために― 사이エンス社
[7] 문서 상대론적인 질량의 에너지への転換は考えない場合に限る。
[8] 문서 生物学辞典（岩波書店）
[9] 서적 대학물리학 I 북스힐
[10] 서적 이덕환의 과학 세상 - 우리가 외면했던 과학 상식 프로네시스
[11] 서적 대학물리학 I 북스힐
[12] 서적 대학물리학 I 북스힐
[13] 문서 상태함수란 물리계의 거시적 상태를 특징짓는 것이다. 열역학적인 평형 상태를 결정하는 에너지, 부피, 압력, 온도, 엔트로피 따위를 이른다.


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