열역학의 기본 정의

1.1 계와 주위의 정의

열역학을 본격적으로 시작하기 전에 기본적인 정의들부터 자세히 하고 넘어가자.  

열역학에서는 우리가 관심을 가지는 대상을 System이라고 정의하며 그 밖은 Surrounding이라고 한다. 주로 열역학에서는 이런 System과 Surrounding과의 상호작용을 생각하는데, 둘 사이에 열이 오갔는지 일이 오갔는지가 주로 관심사다. 다시 말하면 계와 주위 사이에 작용가능한 상호작용은 일 또는 열밖에 없다는 것이다. 

 

사진 출처 : https://dalvitjeju.tistory.com/41

 예를 들어 전기분해를 예로 들어보자. 전기분해는 물이라는 System에 배터리라는 Surrounding이 반응을 일으키게 해준것인데, 힘으로 민것도 아니고 밖에서 열을 가한 것도 아닌데 분명히 내부 계에서는 변화가 일어난다. 이런 반응은 주위가 계에 "전기"라는 매개체로 일을 해주었기 때문이다. 잘 생각해보면 주위와 계에서 일과 열을 제외하고 상호작용을 할 수 있는 방법은 존재하지 않는다. (당신이 의구심을 품는 새로운 방법이 있다면 그건 아마 다른 형태의 일 일것이다. 아님 노벨상을 기대하자)  

 

1.2 열역학에서 일의 방향

하나 더 짚고 넘어가야 할 것이 있다. 기본적인 물리역학과 물리화학(열역학과 배우는 것이 비슷한)에서 정의되는 일의 방향과 열역학에서의 일의 방향은 다르다. 이 점은 매우 중요하다!!

물리학에서의 기본적인 일의 방향

기본적인 역학에서는(위에서 처럼) 물체를 밀면 물체에 힘이 가해지고 그로 인해 이동한 변위를 곱하여 일을 구한다. 즉 내가 물체에게 한 일은 (-) 인것이다. 내가 system이고 공이 surrounding이면 나의 입장에서는 일을 하여준 것이고 에너지를 잃어버린 것이다.  

가장 기본적인 일의 형태인 PV

하지만 열역학에서는 이 방향이 반대이다. 위의 그림처럼 gas에 의해 피스톤판이 밀어질 때 기체는 밖으로 피스톤을 미는데 에너지를 잃어버린다. 이때 열역학에서 정의되는 일은 (+) 이다. 즉 우리 계가 밖으로 일을 할 때 일은 +이다. 이는 열역학이 열을 받아서 일을 하는 과정에 중점을 둬서 이런 정의가 생겼다. 

열역학에서는 우리 계가 밖으로 일을 할 때 w>0로 정의된다. 

생겼다. 참고로 물리화학에서 정의하는 $\Delta U = \delta q + \delta w$라는 1법칙도 열역학에서는 $\Delta U = \delta q - \delta w $로 정의된다. 

 

 

 

참고자료

Thermodynamics in materials science, R. T. DeHoff

풀어쓰는 재료 열역학, 서울대 류한일