열역학

열역학(Thermodynamics, 熱力學)은 에너지, 열, 일, 엔트로피와 과정의 자발성을 다루는 물리학의 분야다. 통계 역학과 밀접한 관계를 가지며 그로부터 수많은 열역학 관계식을 유도할 수 있다. 열역학은 열이 일정량의 기계 작업에 해당하는 에너지의 한 형태로서 이 에너지가 한 곳에서 다른 곳으로 그리고 한 형태에서 다른 형태의 에너지로 전달하는 것을 해석한다.

개요

열역학이라는 단어는 열을 뜻하는 'Thermos'와 역학을 나타내는 'Dynamics' 두 단어가 조합되어 만들어졌다. 열역학은 열과 에너지, 일 그리고 이들 간의 상관관계를 다루는 자연과학의 한 분야로 열을 일로 전환하는 효율을 극대화하는데 기여하였으며 열역학의 발달은 산업혁명과 그로 인한 엄청난 사회적 변화의 지적 추진력이 되었다. 물질이나 에너지를 서로 교환하는 여러 물리계 사이의 열역학적 과정을 다룰 때 고전 열역학은 그 과정이 완료되는 시간이나 그 과정이 얼마나 빨리 일어나는지에 대해서는 관심을 갖지 않는다. 열역학이라는 용어 대신 평형 열역학(equilibrium thermodynamics)이란 용어를 사용하며 준정적 과정(quasi-static process)이라는 개념을 사용한다. 준정적 과정은 매우 천천히 변하여 각 순간마다 평형상태로 간주할 수 있는 이상적인 과정을 말한다. 비평형 열역학(non-equilibrium thermodynamics)은 시간에 따라 변화하는 열역학적 과정을 연구한다. 일상생활에서 열역학은 많은 부분에 응용되고 있기 때문에 열역학은 공학의 이해에서 필수적이다. 열역학은 물질의 상태(state) 변화에 따라 발생하는 열(heat)과 일(work)의 양을 열역학 법칙으로 정의되는 에너지와 엔트로피 등의 열역학적 변수들을 이용하여 분석하는 학문이다. 열역학에서는 우주를 열역학적 분석의 대상인 계(system)와 계를 제외한 주위(surroundings)로 나눈다. 계에 대한 열역학적 측정을 수행하는 공간도 주위의 개념에 포함된다.

열역학 법칙은 매우 일반적인 법칙으로 관찰하는 대상이나 물질 사이의 상호작용에 상관없이 항상 성립하는 법칙이다. 즉 관찰하고자 하는 계와 이를 둘러싼 환경 사이에 에너지와 물질 교환이 평형을 이룬다는 사실만 확인되면 항상 적용할 수 있다. 열역학은 18세기 산업혁명 이후 증기기관과 같은 열기관(heat engine)의 작동 원리를 이해하고 효율을 향상시키기 위한 수단으로 활용되기 시작하여 19세기 중엽에 완성되었다. 오늘날 열역학은 화학, 물리학, 생물학, 지질학, 기상학, 해양학, 화학공학 등의 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 열역학은 열평형에 대한 열역학제0법칙, 에너지의 보존에 대한 열역학제1법칙, 엔트로피의 변화에 대한 열역학제2법칙, 그리고 절대온도 영도에서의 엔트로피에 대한 열역학제3법칙의 네 개의 열역학법칙이 있다. 열역학은 네 개의 법칙으로부터 출발해 다양한 열역학적인 결과를 유도할 수 있다는 면에서 공리체계를 가진 수학적 구조와 흡사하다.

역사

열역학의 역사는 열과 에너지에 관한 정의라 해도 무관하다. 1789년, 벤자민 럼포드(B. T. Rumford)에 의해 열을 물질의 일종이라 간주했던 열소이론이 깨지면서 열역학의 역사가 시작되었다. 1801년 존 돌턴(John Dalton)은 모든 기체는 온도의 증가에 따라 그 부피가 균일하게 증가한다는 사실을 발견했다. 1808년 게이뤼삭(Joseph Louis Gay-Lussac)은 모든 기체의 부피가 0으로 되는 온도를 외삽에 의해 예측할 수 있게 하였고 -273℃를 절대온도 0이라고 하였다. 1824년 니콜라 레오나르 사디 카르노(Nicolas Léonard Sadi Carnot)가 카르노 사이클을 만들었고, 1849년 켈빈 경에 의해 타당성이 입증되었다. 1850년 루돌프 클라우지우스(Rudolf Julius Emanuel Clausius)는 열역학 제2법칙을 정의하고 몇 달 뒤에 열역학 제1법칙도 정의했다. 1873년 반데르발스(Johannes van der Waals)가 상태방정식을 고안했다. 1878년 조시아 깁스(Josiah Willard Gibbs)는 깁스에너지와 상률의 개념을 도입했다. 1886년 라울(François Marie Raoult)은 프랑코 라울의 법칙을 발표하였고, 1901년 길버트 루이스(Gilbert Lewis)는 퓨개시티와 활동도의 개념을 도입했다. 1949년 레들리히(Otto Redlich)와 쾅(J. N. S. Kwong)은 상태방정식을 실제기체에 맞게 수정하였고 1955년 케네스 피쳐(Kenneth Pitzer)는 비중심 인자(acentric factor, 편심 인자, 이심 인자)의 개념을 도입하여, 실제기체의 압축계수를 구하는 방법을 제시하였다. 흔히 여기까지의 역사를 고전열역학의 범주로 불린다.

참고자료

• 〈열역학〉, 《위키백과》
• 〈열역학〉, 《나무위키》
• 〈열역학〉, 《네이버 지식백과》
• "Thermodynamics", Wikipedia

같이 보기

• 열
• 에너지
• 일
• 엔트로피

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