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줄의 법칙(Joule's law)은 영국의 물리학자 제임스 프레스콧 줄의 이름을 딴 법칙으로 제 1법칙과 제 2법칙이 있다. 제1법칙은 도체에 전류가 흐를 때 발생하는 열에너지가 도체의 저항과 흐르는 전류의 제곱에 비례한다는 법칙이며, 제2법칙은 이상기체의 내부 에너지가 온도에 의해 결정된다는 법칙이다. 이 중 제1법칙이 주로 일컫는 줄의 법칙이다.
줄의 제1법칙[편집]
줄 발열(joule heating)은 전류가 도체에 흐를 때 열이 발생하는 과정이다. 옴의 법칙과의 관련성 때문에 줄 발열을 옴 발열(Ohm heating) 또는 저항 발열(resistive heating)이라고도 부른다. 줄의 제1법칙(joule’s first law)은 줄 발열에 의해 발생된 열에너지가 도체의 저항과 전류의 제곱을 곱한 값에 비례한다는 물리법칙으로 식(1)로 표현될 수 있다.
P = I²R (1)
여기서, P는 단위시간당 에너지(줄열) I는 도체에 흐르는 전류, R은 도체의 저항이다. 두 금속의 접합점에서 한쪽은 열을 방출하고 다른 한 쪽은 열을 흡수하는 펠티에 효과와는 다르게 줄 발열은 도체의 전반에서 일어나며 전류가 흐르는 방향과도 관계없다.
영국의 물리학자 제임스 프레스콧 줄(James Prescott Joule, 1818 ~ 1889)은 1840년부터 1843년까지 전류에 의해 발생된 열을 연구한 결과, 그림 1와 같은 실험장치 속의 물에 도체 와이어를 넣고 전류를 흘렸을 때 올라간 물의 온도를 측정하는 실험을 통해 전류를 흘려서 열을 발생시킬 수 있다는 것을 알았다. 또한 전류의 세기와 와이어의 길이를 바꿔가며 실험한 결과, 발생한 열이 흘린 전류값의 제곱과 와이어의 전기적 저항을 곱한 값에 비례한다는 것을 알아냈다. 이를 통해 제임스 줄은 열이 에너지의 한 형태라는 개념을 확립하고, 에너지 보존 법칙의 발견에 기여했다.
미시적인 관점에서 줄열은 전자와 같은 전하운반자(charge carrier)가 도체를 이루는 원자 이온들과 상호작용하여 일어나는 과정이다. 도체의 두 점 사이의 전압 차이는 전하운송자를 전기장 방향으로 가속시키는 전기장을 만들어 전하운송자의 운동에너지를 증가시킨다. 그러나 전하를 띤 입자가 도체 내의 이온들과 충돌할 때 입자들은 산란되어 전기장의 방향으로 움직이는 것이 아니라 무작위로 운동하게 된다. 이러한 무작위 운동은 전기장에 의해 증가했던 입자들의 운동에너지를 감소시키고 반대로 이온들의 진동에너지가 증가하여 열을 발생시킨다. 즉, 전기에너지가 열에너지로 변환된다.
줄 발열은 전기발열을 이용하는 온풍기나 그림2와 같은 토스터기 안의 발열체와 같이 실생활에 많이 쓰이기도 한다. 발열체로 주로 사용되는 금속으로는 니크롬(니켈과 크롬 합금)을 들 수 있고, 저온 발열에는 니켈구리 합금을 사용하기도 한다. 줄 발열을 응용한 전열기의 예로는 백열등, 발열기, 핫플레이트, 다리미 등이 있다. 그러나 많은 경우 줄 발열은 에너지가 손실되는 것이므로 원하지 않는 것이다. 전력변압기에서 고압을 사용할 때 특히 발열에 의한 손실을 줄이고자 한다. 이러한 측면에서 초전도체는 전류가 흐를 때 저항이 없기 때문에 줄 발열이 없는 이상적인 물질로써 많은 주목을 받고 있다. 저항은 전기적 노이즈를 만드는데 이 또한 줄 발열과 밀접한 관계가 있다.
P = (VA - VB) (2)
P는 단위시간당 전기에너지에서 열에너지로 바뀐 에너지량 I는 저항을 지나는 전류 VA - VB 는 저항을 지날 때 전압 강하이다.
옴의 법칙이 성립하므로 공식을 동등한 형태로 바꿔서 쓸 수 있다.
P = IV = I²R = V²/R (3)
여기서 R은 저항이다. 전류가 t초 동안 흘러서 발생한 줄 열(joule’s heat)은 아래와 같다.
W = Pt = I²Rt (4)
에너지의 단위는 줄(J)이며 1 J = 0.24 cal라는 열의 일당량 관계 이용하면 단위를 칼로리(cal)로 바꿀 수 있다.
교류 전류일 때는 시간의 함수로 주어지는데 일반적으로 평균값에 더 관심이 있다.
P(t) = U(t)I(t) (5)
Pavg = UrmsIrms (6)
여기서 avg는 평균, rms는 제곱 평균의 제곱근이다.
줄의 제2법칙[편집]
줄의 제 2법칙은 이상기체의 내부에너지가 부피와 압력과 무관하고 온도에만 의존한다는 법칙이다. 1845년에 줄은 기체의 자유팽창을 연구했다. 열 흡수와 한 일이 없어 내부에너지가 보존되는 자유 팽창은 줄 팽창이라고도 하는데, 줄-톰슨 팽창 시 온도 변화가 없는 경우에 해당한다. 이상기체라면 온도 변화가 없지만 실제 기체의 경우 온도가 감소한다. 열역학에서 줄-톰슨 효과는 외부에서 열에너지의 유입 없이 실제 기체나 액체가 팽창할 때 온도변화를 설명한다. 비가역적으로 유체가 유출될 때 온도변화가 일어나는 현상으로 실제 기체의 부피가 절대온도 T에 비례하지 않기 때문에 일어나는 효과이다.
참고자료[편집]
- 〈줄의 법칙〉, 《물리학백과》
같이 보기[편집]
