열에너지

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1. 개요
2. 열과 내부 에너지의 관계
- 2.1. 거시적 열에너지
  - 2.1.1. 화학적 내부 에너지
  - 2.1.2. 내부 상호작용에 의한 위치 에너지
- 2.2. 미시적 열에너지
  - 2.2.1. 통계물리학에서의 열에너지
3. 열 흐름 밀도
4. 역사적 배경
5. 한국의 열에너지 정책
참조

1. 개요

열에너지는 열역학에서 열과 내부 에너지의 관계를 설명하는 데 사용되는 개념으로, 더 뜨거운 계에서 더 차가운 계로 자발적으로 전달되는 에너지 형태를 의미한다. 이상 기체에서는 내부 에너지와 유사하게 사용되지만, 복잡한 계에서는 상전이로 인해 온도만으로 정의되지 않아 열역학에서는 명확하게 정의되지 않고 사용되지 않는다. 열에너지는 화학 에너지, 내부 상호작용, 분자 운동 에너지 등 다양한 형태로 나타날 수 있으며, 통계역학에서는 볼츠만 상수와 절대온도의 곱으로 표현되기도 한다. 또한, 열 흐름 밀도와 관련된 에너지에도 적용되며, 줄의 연구를 통해 잠열과 현열로 구분되었다.

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열에너지
열에너지
개요
정의	온도에 의해 측정되는 에너지
수식	kBT
구성 요소	T (온도) kB (볼츠만 상수)
설명
특징	열역학에서 중요한 개념이며, 입자들의 무작위 운동과 관련된 에너지이다.
참고	일반적으로 "열"이라고 불리지만, 열과는 구별되어야 한다. 열은 에너지 전달 과정을 나타내는 용어이고, 열에너지는 에너지 자체를 의미한다.
참고 문헌
인용 문헌	Zemansky, Mark W. (1970-09-01). The Use and Misuse of the Word "Heat" in Physics Teaching. The Physics Teacher. 8 (6): 295–300. doi:10.1119/1.2351512 Knight, Randall Dewey (2008). Physics for Scientists and Engineers. San Francisco: Pearson Addison Wesley. ISBN 978-0-8053-2736-6.

2. 열과 내부 에너지의 관계

열역학에서 열은 열역학적 일이나 물질 전달이 아닌 전도, 복사, 마찰과 같은 다른 메커니즘을 통해 열역학적 계로 또는 열역학적 계에서 전달되는 에너지이다.^[3]^[4] 열은 계 사이에서 전달되는 양을 가리키며, 어떤 하나의 계의 속성이나 그 안에 "포함된" 것을 의미하지 않는다. 반면에 내부 에너지와 엔탈피는 단일 계의 속성이다. 열과 일은 에너지 전달이 일어나는 방식에 따라 달라지지만, 내부 에너지는 상태 함수이므로 에너지가 어떻게 거기에 도달했는지 알 필요 없이 이해할 수 있다.^[5]

열은 더 뜨거운 계(물체)에서 더 차가운 계(물체)로 자발적으로 전달되는 에너지이다.^[16]^[17] 열은 에너지 이동의 형태이며, 계 내부에 존재하는 것이 아니며, 계의 경계 내에도 포함되지 않는다.^[18] 반면, 내부 에너지는 계의 속성이다. 이상 기체에서 내부 에너지는 기체 입자의 운동 에너지의 통계적 평균이며, 이 운동이 계의 경계를 넘어 열 전달의 원천이자 결과이다. 이상 기체의 경우, 열에너지와 내부 에너지는 동일하다고 볼 수 있다.

이상 기체보다 복잡한 계(실재 기체 등)는 상전이를 일으키는데, 상전이는 온도를 변화시키지 않고도 계의 내부 에너지를 변화시킨다. 따라서 열에너지는 온도만으로 정의할 수 없으며, 내부 에너지와 계 내외의 총 열 이동의 차이로도 정의할 수 없다. 이는 계가 똑같은 상태로 시작하고 끝나지만, 그 사이클 동안 열의 출입 순흐름이 존재하는 열역학 사이클을 구성하는 것이 용이하기 때문이다.

이러한 이유로 계의 열에너지 개념은 명확하게 정의되지 않으며, 열역학에서는 사용되지 않는다.

2. 1. 거시적 열에너지

열역학에서 열은 전도, 복사, 마찰과 같은 메커니즘을 통해 열역학적 계로 전달되거나 거기에서 전달되는 에너지이다.^[3]^[4] 열은 계 사이에서 전달되는 양을 가리키며, 어떤 하나의 계에 속하거나 그 안에 "포함된" 것을 의미하지 않는다. 반면에 내부 에너지와 엔탈피는 단일 계의 속성이다. 열과 일은 에너지 전달이 일어나는 방식에 따라 달라지는 반면, 내부 에너지는 상태 함수이므로 에너지가 어떻게 거기에 도달했는지 알 필요 없이 이해할 수 있다.^[5]

열은 더 뜨거운 계(물체)에서 더 차가운 계(물체)로 자발적으로 전달되는 에너지이다.^[16]^[17] 열은 에너지 이동의 형태이며, 계 내부에 존재하는 것이 아니며, 계의 경계 내에도 포함되지 않는다. 반면, 내부 에너지는 계의 속성이다. 이상 기체에서 내부 에너지는 기체 입자의 운동 에너지의 통계적 평균이며, 이 운동이 계의 경계를 넘어 열 전달의 원천이자 결과이다. 이상 기체의 경우, 열에너지와 내부 에너지는 동일하다고 볼 수 있다.

이상 기체보다 복잡한 계(실재 기체 등)는 상전이를 일으키는데, 상전이는 온도를 변화시키지 않고도 계의 내부 에너지를 변화시킨다. 따라서 열에너지는 온도만으로 정의할 수 없으며, 내부 에너지와 계 내외의 총 열 이동의 차이로도 정의할 수 없다. 이는 계가 똑같은 상태로 시작하고 끝나지만, 그 사이클 동안 열의 출입 순흐름이 존재하는 열역학 사이클을 구성하는 것이 용이하기 때문이다.

이러한 이유로 계의 열에너지 개념은 명확하게 정의되지 않으며, 열역학에서는 사용되지 않는다.

2. 1. 1. 화학적 내부 에너지

물체의 내부 에너지는 화학퍼텐셜에너지가 비화학적 에너지로 전환되는 과정에서 변할 수 있다. 이러한 과정에서 열역학적 계는 주변 환경에 일을 하거나, 열로 에너지를 얻거나 잃음으로써 내부 에너지를 변화시킬 수 있다. "전환된 화학퍼텐셜에너지는 단순히 내부 에너지가 되었다"라고 말하는 것은 명확하지 않다. 그러나 때로는 "화학퍼텐셜에너지가 열에너지로 전환되었다"라고 말하는 것이 편리하다. 이것은 일반적인 전통적인 언어로 반응열에 대해 이야기함으로써 표현된다.^[7]

2. 1. 2. 내부 상호작용에 의한 위치 에너지

물질, 특히 액체나 고체와 같은 응축 물질에서 분자나 이온과 같은 구성 입자들이 서로 강하게 상호 작용하는 경우, 이러한 상호 작용의 에너지는 물질의 내부 에너지에 크게 기여한다. 그러나 이 에너지는 온도에 나타나는 것처럼 분자의 운동 에너지에는 바로 나타나지 않는다. 이러한 상호 작용 에너지는 물질의 전체적인 내부 미시적 퍼텐셜 에너지에 대한 기여로 생각할 수 있다.^[8]

2. 2. 미시적 열에너지

이상 기체에서 내부 에너지는 기체 입자의 운동 에너지의 통계적 평균이며, 이 운동이 계의 경계를 넘어 열의 전달의 원천이자 결과이다. 이러한 의미에서 이상 기체의 내부 에너지는 열에너지라고 생각할 수 있으며, 이 경우 열에너지와 내부 에너지는 동일하다.^[9]

이상 기체보다 복잡한 계(실재 기체 등)는 상전이를 일으키는데, 상전이는 온도를 변화시키지 않고도 계의 내부 에너지를 변화시킨다. 따라서 열에너지는 온도만으로 정의할 수 없으며, 내부 에너지와 계 내외의 총 열 이동의 차이로도 정의할 수 없다. 이는 계가 똑같은 상태로 시작하고 끝나지만, 그 과정에서 열의 출입이 있는 열역학 사이클을 구성하는 것이 가능하기 때문이다.

이러한 이유로 계의 열에너지 개념은 명확하게 정의되지 않으며, 열역학에서는 사용되지 않는다.

2. 2. 1. 통계물리학에서의 열에너지

통계역학적 관점에서 이상기체를 고려할 때, 분자들은 순간적인 충돌 사이에 독립적으로 움직이며, 내부 에너지는 기체를 구성하는 독립적인 입자들의 운동 에너지의 총합이다. 그리고 이 운동 에너지가 계의 경계를 가로질러 열이 전달되는 원인이자 결과이다. 입자 간 상호작용이 순간적인 충돌을 제외하고는 없는 기체의 경우, "열에너지"는 "내부 에너지"와 사실상 동의어이다.^[9]

많은 통계물리학 교재에서 "열에너지"는 볼츠만 상수와 절대온도의 곱인 ''kT'' (또는 ''k''_B ''T''로 표기)를 의미한다.^[10]^[11]^[12]^[13] 열은 더 뜨거운 계(물체)에서 더 차가운 계(물체)로 자발적으로 전달되는 에너지이다.^[16]^[17] 열은 에너지 이동의 형태이며, 계 내부에 존재하는 것이 아니다.^[18] 반면, 내부 에너지는 계의 속성이다. 이상 기체에서 내부 에너지는 기체 입자의 운동 에너지의 통계적 평균이며, 이 운동이 계의 경계를 넘어 열의 전달의 원천이자 결과이다. 이상 기체의 내부 에너지는 이러한 의미에서 열에너지라고 생각할 수 있다.

이상 기체보다 복잡한 계(실재 기체 등)는 상전이를 일으킨다. 상전이는 온도를 변화시키지 않고 계의 내부 에너지를 변화시킨다. 따라서 열에너지는 온도만으로 정의할 수 없다. 열에너지는 내부 에너지와 계 내외의 총 열 이동의 차이로 정의할 수도 없다. 이는 계가 똑같은 상태로 시작과 끝나지만, 이 사이클 동안 열의 출입의 순흐름이 존재하는 열역학 사이클을 구성하는 것이 용이하기 때문이다.

이러한 이유로 계의 열에너지 개념은 명확하게 정의되지 않으며, 열역학에서는 사용되지 않는다.

3. 열 흐름 밀도

물질의 흐름이 없는 경우, '열에너지'라는 용어는 열 흐름에 의해 운반되는 에너지에도 적용된다.^[14]

4. 역사적 배경

제임스 프레스콧 줄은 1847년 "물질, 활력, 열에 관하여"라는 강연에서 열에너지와 열에 관련된 여러 용어를 정의했다. 줄은 입자의 퍼텐셜 에너지와 운동 에너지에 영향을 주는 열의 형태인 잠열과 현열을 구분했다.^[19] 잠열은 입자 배열에서의 상호작용 에너지, 즉 퍼텐셜 에너지의 한 형태이며, 현열은 열에너지로 인해 온도계로 측정 가능한 온도에 영향을 주는 에너지로 정의했다.^[19]

5. 한국의 열에너지 정책

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참조

_[1] 논문 The Use and Misuse of the Word "Heat" in Physics Teaching 1970-09-01
_[2] 서적 Physics for Scientists and Engineers Pearson Addison Wesley 2008
_[3] 서적 A Survey of Thermodynamics American Institute of Physics Press 1994
_[4] 서적 Natural Philosophy of Cause and Chance https://archive.org/[...] Oxford University Press 1949
_[5] 서적 Thermal Analysis of Materials Marcel Dekker, Inc.
_[6] 서적 Thermal Physics https://archive.org/[...] Cambridge University Press
_[7] 서적 Thermodynamics of Natural Systems Cambridge University Press
_[8] 서적 Thermal Physics https://books.google[...] Cambridge University Press
_[9] 서적 Elementary Statistical Physics Courier Corporation
_[10] 서적 A Modern Course in Statistical Physics John Wiley and Sons
_[11] 서적 Statistical Physics of Particles Cambridge University Press
_[12] 서적 Selected Papers of Richard Feynman: With Commentary https://archive.org/[...] World Scientific
_[13] 서적 Statistical Mechanics: A Set of Lectures CRC Press
_[14] 서적 Solid State Physics Harcourt
_[15] 백과사전 대사전
_[16] 서적 Thermal Analysis of Materials Marcel Dekker, Inc. 2012
_[17] 문서 Basic Principles of Classical and Statistical Thermodynamics http://www.uic.edu/l[...]
_[18] 서적 物理小事典三省堂 2008
_[19] 서적 The Scientific Papers of James Prescott Joule https://ia802301.us.[...] The Physical Society of London
_[20] 백과사전 열에너지 http://www.britannic[...]