열역학의 법칙

열역학
고전적인 카르노 히트 엔진
나뭇가지 고전적인 통계 화학의 양자 열역학 평형/비평형
법률 제로스 첫번째 둘째 셋째
시스템들 폐쇄형 시스템 오픈 시스템 격리 시스템 주 상태 방정식 이상 기체 실가스 상황 위상(매터) 평형 볼륨 제어 인스트루먼트 과정 이소바릭 아이소코리 등온 단열성 등엔트로픽 이센탈픽 준정전성 폴리트로픽 자유 확장 가역성 불가역성 내복원성 사이클 히트 엔진 히트 펌프 열효율
시스템 속성 주의: 이탤릭체로 표시된 켤레 변수 속성도 집약적이고 광범위한 속성 프로세스 기능 일하다. 열 국가 기능 온도/엔트로피(개요) 압력/볼륨 화학 퍼텐셜/입자수 증기 품질 속성 감소
재료 특성 속성 데이터베이스 비열 용량 ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ $\displaystyle \partial S\$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle\partial T}$ 압축성 $\displaystyle \displays =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ $(\displaystyle\displayp)$ 열팽창 $\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle\partial T}$
방정식 카르노의 정리 클라우시우스 정리 기본 관계 이상기체의 법칙 맥스웰 관계 온사저 호혜 관계 브리지만 방정식 열역학 방정식 표
가능성 자유 에너지 자유 엔트로피 내부 에너지 ${\displaystyle U(S,V)}$ 엔탈피 ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ 헬름홀츠 자유 에너지 ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ 깁스 자유 에너지 ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
역사 문화 역사 일반 엔트로피 가스 법칙 "영구 운동" 기계 철학 엔트로피와 시간 엔트로피와 생명 브라운 래칫 맥스웰의 악마 열사 역설 로슈미트의 역설 시너제틱스 이론들 열량론 Vis viva ('생체력') 열의 기계적 등가 동력 주요 출판물 실험적인 질문 ~에 대해서열 균형에 대하여 이종 물질 의 리플렉션 불의 원동력 타임라인 열역학 히트 엔진 예체능 교육 맥스웰의 열역학 표면 에너지 분산으로서의 엔트로피
과학자 베르누이 볼츠만 브리지만 카라테오도리 카르노 클라피론 클라우시우스 돈더 듀헴 깁스 폰 헬름홀츠 줄 루이스 마시외 맥스웰 폰 메이어 네른스트 온사게 플랑크 랭킨 스미톤 스틸 태트 톰슨 톰슨 판 데르 발스 워터스톤
다른. 핵생성 자가 조립 자기 조직화 질서와 무질서
카테고리
v t

열역학의 법칙은 온도, 에너지, 엔트로피와 같은 물리적 양의 그룹을 정의하며, 열역학적 평형의 열역학 시스템을 특징짓습니다.또한 이 법칙은 열역학 작업 및 열과 같은 열역학 과정을 위해 다양한 매개변수를 사용하며, 이들 사이의 관계를 설정합니다.그들은 영구 운동과 같은 특정 현상의 가능성을 배제하는 근거를 형성하는 경험적 사실을 진술한다.열역학에서의 사용 외에도, 그것들은 일반적으로 물리학의 중요한 기본 법칙이며 다른 자연 과학에도 적용됩니다.

전통적으로 열역학은 순서식별, 제1법칙, 제2법칙,^[1][2][3] 제3법칙으로 명명된 세 가지 기본 법칙을 인정했습니다.더 근본적인 진술은 처음 세 개의 법이 제정된 후 나중에 제0법이라는 꼬리표가 붙었다.

열역학 제0법칙은 열 평형을 정의하고 온도를 정의하는 기초를 형성합니다.만약 두 개의 시스템이 각각 세 번째 시스템과 열평형 상태에 있다면, 그것들은 서로 열평형 상태에 있는 것이다.

열역학 제1법칙은 에너지가 (일, 열 또는 물질과 같이) 시스템에 들어오거나 나갈 때 시스템의 내부 에너지는 에너지 보존의 법칙에 따라 변화한다고 기술합니다.

열역학 제2법칙은 자연 열역학 과정에서는 상호작용하는 열역학 시스템의 엔트로피 합계가 절대 감소하지 않는다고 말합니다.또 다른 형태의 진술은 열이 자연적으로 차가운 몸에서 따뜻한 몸으로 전달되지 않는다는 것이다.

열역학 제3법칙은 온도가 절대 0에 가까워짐에 따라 시스템의 엔트로피가 일정한 값에 접근한다는 것입니다.비결정성 고체(안경)를 제외하고 절대 0에 있는 시스템의 엔트로피는 일반적으로 ^[2]0에 가깝습니다.

제1법칙과 제2법칙은 각각 두 가지 종류의 영구 운동 기계를 금지하고 있습니다. 즉, 에너지 입력 없이 작업을 생성하는 제1종 영구 운동 기계와 열 에너지를 기계적인 작업으로 자발적으로 변환하는 제2종 영구 운동 기계입니다.

역사

열역학의 역사는 근본적으로 물리학과 화학의 역사와 연관되어 있으며 궁극적으로 고대 열 이론으로 거슬러 올라간다.열역학의 법칙은 19세기에서 20세기 초에 걸쳐 이 분야에서 이루어진 진보의 결과이다.마침내 열역학 제2법칙이 된 최초의 확립된 열역학 원리는 1824년 사디 카르노에 의해 그의 책 불의 동력에 대한 성찰에서 공식화 되었다.1860년까지, 루돌프 클라우시우스와 윌리엄 톰슨과 같은 과학자들의 작품에서 공식화된 것처럼, 현재 제1법칙과 제2법칙으로 알려진 것이 확립되었다.후에, 현재 제3법칙으로 알려진 네른스트의 정리(또는 네른스트의 공식)는 1906년부터 1912년까지 발터 네른스트에 의해 공식화 되었다.오늘날 법의 숫자는 보편화되어 있지만, 20세기의 다양한 교과서는 법의 번호를 다르게 매겨왔다.일부 분야에서는 두 번째 법칙이 열 엔진의 효율만을 다루는 것으로 간주된 반면, 세 번째 법칙이라고 불리는 것은 엔트로피 증가를 다루었습니다.점차적으로, 이것은 스스로 해결되었고, 후에 온도를 스스로 일관되게 정의할 수 있도록 0번째 법칙이 추가되었다.추가 법률이 제시되었지만, 일반적으로 4개의 받아들여진 법의 일반성을 달성하지 못했고, 표준 교과서에서는 다루지 않는다.

제0법칙

열역학 제0법칙은 열역학 시스템의 경험적 매개 변수로서 온도의 기초를 제공하고 열평형 상태에 있는 여러 물체의 온도 사이의 전이 관계를 확립합니다.법률은 다음과 같은 형태로 기술할 수 있다.

두 시스템이 모두 세 번째 시스템과 열평형 상태이면 서로 ^[4]열평형 상태에 있는 것입니다.

이 법률 버전은 가장 일반적으로 언급된 버전 중 하나이지만, "제0법"으로 분류되는 다양한 진술 중 하나에 불과합니다.더 나아가서 온도가 1차원이고 더 낮은 온도에서 더 ^[5][6][7]높은 온도까지 개념적으로 실수의 순서로 물체를 배열할 수 있다는 중요한 물리적 사실을 제공한다.

이러한 온도와 열평형 개념은 열역학의 기초이며 19세기에 분명히 언급되었다.'제로스 법칙'이라는 이름은 1930년대에 랄프 H. 파울러에 의해 발명되었는데, 이는 제1법칙, 제2법칙, 제3법칙이 널리 알려진 지 오래이다.이 법칙은 공역 변수인 엔트로피를 참조하지 않고 비원형 방식으로 온도를 정의할 수 있도록 합니다.그러한 온도 정의는 '경험적'^{[8][9][10][11][12][13]}이라고 한다.

제1법칙

열역학 제1법칙은 열역학 과정에 적합한 에너지 보존 법칙의 한 버전입니다.일반적으로, 보존 법칙은 고립된 시스템의 총 에너지는 일정하다고 명시하고 있습니다. 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변환될 수 있지만 생성되거나 파괴될 수 없습니다.

닫힌 시스템(즉, 시스템 내부 또는 외부로 물질이 전달되지 않음)에서, 제1법칙은 시스템의 내부 에너지 변화(δU_system)가 시스템에 공급되는 열(Q)과 시스템이 주변 환경에서 수행하는 작업(W)의 차이와 동일하다고 명시합니다.(이 문서에서는 사용하지 않는 대체 부호 표기법은 W를 그 주변 환경에 의해 시스템에서 실행되는 작업으로 정의하는 것입니다).

${\displaystyle {\delta \mathrm{}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{U}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{s}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{y}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{t}}_{}}$ e${\displaystyle {}_{}m}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle Q}$- W ( \ $displaystyle$ \ $Delta U$ _ { \ $rm${ $system$ } = Q$$- W$$） 。

물질의 이전을 포함하는 프로세스의 경우 추가 진술이 필요합니다.

초기에 격리된 두 시스템이 새로운 시스템으로 결합되면 새 시스템의 총 내부 에너지_system U는₂ 두 초기 시스템의₁ 내부 에너지 합계와 같아집니다.

$디스플레이 스타일$$U_{1}+U_{2$

제1법칙에는 다음과 같은 몇 가지 원칙이 포함되어 있습니다.

• 에너지의 보존, 즉 에너지는 생성도 파괴도 할 수 없고 형태만 바꿀 수 있다는 것입니다.그 결과, 고립된 시스템의 총 에너지는 변화하지 않습니다.

• 내부 에너지의 개념과 온도와의 관계.시스템이 일정한 온도를 갖는 경우, 총 에너지는 운동 에너지(시스템 전체의 움직임으로 인한 에너지), 위치 에너지(외부적으로 부과된 힘장에서 발생하는 에너지) 및 내부 에너지라고 불리는 세 가지 구별 가능한 구성 요소를 가집니다.내부 에너지 개념의 확립은 열역학 제1법칙과 에너지 보존의 보다 일반적인 법칙을 구별합니다.

$\displaystyle E_{\rm {total}}=KE_{\rm {system}}+PE_{\rm {system}}+U_{\rm {system}}}$

• 작업은 시스템과 주변 환경 사이에 작용하는 거시적 기계적 힘에 의해 설명될 수 있는 방식으로 시스템에 에너지를 전달하거나 시스템에서 에너지를 전달하는 과정입니다.시스템에 의해 수행되는 작업은 전체 운동 에너지, 전체 잠재 에너지 또는 내부 에너지에서 발생할 수 있습니다.

예를 들어, (시스템의 일부가 아닌) 기계가 시스템을 위로 들어올리면 일부 에너지가 기계에서 시스템으로 전달됩니다.시스템에 대한 작업이 수행됨에 따라 시스템의 에너지가 증가하며, 이 경우 시스템의 에너지 증가는 시스템의 중력 퍼텐셜 에너지의 증가로 나타납니다.시스템에 추가된 작업은 시스템의 잠재적 에너지를 증가시킵니다.

• 물질이 시스템으로 전달되면 질량과 관련된 내부 에너지와 위치 에너지가 함께 전달됩니다.

$\displaystyle \left(u,\Delta M\right)_{\rm {in}}=\Delta U_{\rm {system}}$

여기서 u는 주변 환경에서 측정된 전달 물질의 단위 질량당 내부 에너지를 나타내며, δM은 전달 질량의 양을 나타냅니다.

• 열의 흐름은 에너지 전달의 한 형태입니다.가열은 작업이나 물질의 전달이 아닌 시스템 간에 에너지를 이동시키는 자연스러운 과정입니다.온열 시스템에서 내부 에너지는 열로서의 에너지 전달에 의해서만 변경될 수 있습니다.

$\displaystyle \Delta U_{\rm {system}}=질문$

이러한 원리를 결합하는 것은 열역학 제1법칙의 전통적인 한 가지 설명으로 이어집니다: 기계에 동일한 양의 에너지를 입력하지 않고 지속적으로 작업을 출력하는 기계를 만드는 것은 불가능합니다.더 간단히 말하자면, 제1종 영구 운동 기계는 불가능하다.

제2법칙

열역학 제2법칙은 자연 과정의 불가역성을 나타내며, 많은 경우 자연 과정이 물질과 에너지, 특히 온도의 공간적 균질성으로 이어지는 경향을 나타냅니다.그것은 다양하고 흥미롭고 중요한 방법으로 표현될 수 있다.가장 간단한 것 중 하나는 클라우시우스의 진술인데, 열은 자연적으로 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 전달되지 않는다는 것이다.

그것은 열역학계의 엔트로피라고 불리는 양의 존재를 암시한다.이 양으로 보면, 그것은 다음을 의미한다.

서로 열역학적 평형을 이루지만 반드시 열역학적 평형을 이루지는 않는 두 개의 분리된 우주 영역이 서로 상호작용할 수 있게 되면, 그들은 결국 상호 열역학적 평형에 도달할 것이다.처음에 분리된 시스템의 엔트로피 합계는 최종 조합의 총 엔트로피보다 작거나 같다.두 개의 원래 시스템이 각각의 강도 변수(온도, 압력)를 동일하게 가질 때에만 균등성이 발생합니다. 그러면 최종 시스템도 동일한 값을 가집니다.

두 번째 법칙은 가역적 또는 불가역적인 다양한 프로세스에 적용할 수 있습니다.두 번째 법칙에 따르면, 가역 열 전달에서, 열 전달 요소 δQ는 온도(T)와 열의 소스 또는 대상, 그리고 시스템의 켤레 변수인 엔트로피(S)의 증가량(dS)의 곱이다.

$\displaystyle Q=T,dS,}$^[1]

가역적 과정은 유용하고 편리한 이론적인 제한 사례이지만, 모든 자연적 과정은 되돌릴 수 없습니다.이러한 불가역성의 대표적인 예는 전도 또는 방사선에 의한 열의 전달입니다.엔트로피 개념이 발견되기 훨씬 전에 알려져 있던 것은 처음에는 온도가 서로 다른 두 물체가 직접 열 연결되면 열이 즉시 그리고 자발적으로 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 흐른다는 것입니다.

또한 엔트로피는 거시적 상태만 알고 있을 때 시스템의 움직임과 구성의 미시적 세부사항에 관한 물리적 척도로 볼 수 있다.그러한 세부 사항은 종종 현미경적 또는 분자적 규모의 장애로 언급되며 에너지의 분산으로 언급되지 않는다.시스템의 거시적으로 지정된 두 상태에 대해 '그들 사이의 정보 엔트로피 차이'라고 불리는 수학적으로 정의된 양이 있습니다.이것은 거시적으로 지정된 다른 상태(흔히 명시적으로 명시되지 않고 존재한다고 가정할 수 있는 편리하게 선택된 기준 상태)를 명시하기 위해 거시적으로 지정된 상태 중 하나를 지정하기 위해 얼마나 많은 추가 물리적 정보가 필요한지를 정의한다.자연 공정의 최종 조건은 항상 공정의 초기 조건의 거시적 사양으로부터 완전하고 정확하게 예측할 수 없는 미시적으로 특정할 수 있는 효과를 포함한다.이것이 바로 엔트로피가 자연 프로세스에서 증가하는 이유이며, 그 증가는 초기 거시적으로 특정된 상태와 최종 거시적으로 특정된 ^[14]상태를 구별하기 위해 얼마나 많은 추가 미시적 정보가 필요한지 알려준다.마찬가지로, 열역학 과정에서는 에너지가 확산됩니다.

제3법칙

열역학 제3법칙은 다음과 같습니다.^[2]

시스템의 엔트로피는 온도가 절대 0에 가까워짐에 따라 일정한 값에 접근합니다.

제로 온도에서 시스템은 최소 열 에너지인 접지 상태에 있어야 합니다.이 시점에서 엔트로피의 상수 값(꼭 0은 아님)을 시스템의 잔류 엔트로피라고 합니다.비결정 고체(예: 유리)를 제외하고 시스템의 잔류 엔트로피는 일반적으로 ^[2]0에 가깝습니다.단, 시스템이 고유한 접지 상태일 경우에만 0에 도달합니다(즉, 최소 열에너지를 가진 상태는 하나의 구성 또는 마이크로 상태).여기서 마이크로스테이트는 시스템이 특정 상태에 있을 확률을 설명하기 위해 사용된다. 각 마이크로스테이트는 동일한 발생 확률을 갖는 것으로 가정되기 때문이다. 따라서 마이크로스테이트가 적은 매크로스테이트는 가능성이 낮다.일반적으로 엔트로피는 볼츠만 원리에 따라 가능한 미세 상태의 수와 관련이 있습니다.

$\displaystyle S=k_{\mathrm {B}},\mathrm {ln},\Omega }$

여기서 S는 시스템의 엔트로피, k_B 볼츠만의 상수, δ는 마이크로 상태의 수입니다.절대 영점에서는 1개의 마이크로스테이트만 가능하다(순수 물질에 대해 모든 원자가 동일하고 그 결과 하나의 조합이 있는 것처럼 모든 순서가 동일하기 때문에 δ=1${\displaystyle ),}$ ${\displaystyle \ln \mathrm{\delta }}$(${\displaystyle 1}$) $=$ 0(\$displaystyle \ln($1)=$0$

온사저 관계

Onsager 상호 관계는 열역학 ^[15][16][17]제4법칙으로 여겨져 왔다.이들은 열역학 변수가 국부적 평형 상태에서 국부적으로 정의될 수 있다는 가정 하에 비균형 열역학에서의 열역학 흐름과 힘 사이의 관계를 설명한다.이러한 관계는 (외부 자기장이 없는 경우) 미시적 가역성 원리에 따른 통계 역학에서 도출된다.광범위한 매개변수_i X(에너지, 질량, 엔트로피, 입자의 수)와 열역학력_i F(온도 및 압력과 같은 본질적인 매개변수와 관련됨)의 집합이 주어지면, Onsager 정리는 다음과 같이 기술한다^[16].

${\displaystyle {frac {\operatorname {\mathrm {d} J_{\mathrm {k},}{,\operatorname {mathrm {d}},}{\bigg }_{F_{\mathrm {i}=0}~{\frac}, {\operr}, {fr}, {fr},}, {fr}, {fr}, {fr}, {fr}, {fr}, {fr}, {fr}, {fr},}$

어디에

${\displaystyle J_{\mathrm {i} = flac {,\operatorname {d} X_{\mathrm {i},} {\operatorname {d} t} }$

열역학적 흐름이라고 불립니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 화학 열역학
• 엔탈피
• 엔트로피 생성
• 긴스버그의 정리 (패러디: 이길 수 없고, 손익분기점을 낼 수 없다...)
• H-이론
• 통계역학
• 열역학 방정식 표

레퍼런스

추가 정보

입문

• 앳킨스, 피터(2007년).우주를 움직이는 4가지 법칙OUP 옥스퍼드.ISBN 978-09232369
• Goldstein, Martin & Inge F.(1993)냉장고와 우주.하버드 대학교프레스. ISBN 978-0674753259

고급.

• 구겐하임, E.A.(1985년)열역학. The Advanced Treature for Chemists and Physists, 제7판.ISBN 0-444-86951-4
• Adkins, C. J., (1968) 평형 열역학.맥그로힐 ISBN 0-07-084057-1

외부 링크

• Wikimedia Commons 열역학 법칙 관련 매체