작업(열역학)

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

열역학에서 시스템에 의해 수행되는 작업은 시스템이 그 주위에 자발적으로 거시적인 힘을 가할 수 있는 메커니즘에 의해 시스템에 의해 그 주변으로 에너지가 전달된다.예를 들어, 주변에서는 적절한 수동 링크를 통해 작업이 무게를 들어 올릴 수 있습니다.에너지는 또한 주변으로부터 시스템으로 전달될 수 있다; 물리학에서 사용되는 사인 규칙에서, 그러한 작업은 음의 크기를 가진다.

외부에서 측정된 힘과 외부 효과는 전자기,^[1][2][3] 중력,^[4] 압력/부피 또는 기타 거시적 기계적 ^[5]변수일 수 있다.열역학적 작업의 경우, 이러한 외부 측정량은 압력, 부피^[5] 또는 자속 밀도 및 ^[2]자화 등과 같은 항상 켤레 쌍으로 발생하는 시스템의 거시적 내부 상태 변수의 값 또는 변화와 정확히 일치한다.

주위 환경에 존재하는 외부 시스템에 의해, 물질의 전달 이외의 통상적인 열역학 상태 변수에 의해 엄격하게 정의된 열역학 시스템이 아닌, 열역학 시스템에서 작업이 이루어졌다고 말할 수 있다.이러한 환경 정의 작업의 일부는 시스템에 의해 수행된 시스템 정의 열역학 작업과 동일한 메커니즘을 가질 수 있지만, 나머지 환경 정의 작업은 열역학 시스템에 의해 수행된 음의 열역학 작업이 아니라 오히려 열역학 시스템에 열이 전달되는 방식으로 나타납니다.Joule의 패들 교반 실험은 Isocoric(또는 일정한 부피) 기계적 작업(이 경우 샤프트 작업이라고도 함)의 개념을 보여주는 예를 제공합니다.이러한 작업은 여기서 정의하는 열역학 작업이 아닙니다. 왜냐하면 열역학 시스템은 열역학 시스템의 내부 및 표면에 마찰력을 통해 작용하며 시스템이 상태 변수로 설명할 수 있는 주변 환경에 자발적으로 가할 수 있는 거시적 힘을 통해 작용하지 않기 때문입니다.환경 정의 작업은 기계적이지 않을 수도 있습니다.열역학적 시스템을 통해 전류가 통과할 때 마찰로 발생하기 때문에 줄 가열이 한 예입니다.물질이 전달되지 않고 등화학적 방식으로 수행될 경우, 이러한 에너지 전달은 관심 시스템으로의^{[according to whom?]} 열 전달로 간주됩니다.

SI 측정 시스템에서는 작업이 줄(기호: J) 단위로 측정됩니다.작업이 수행되는 속도는 전력입니다.

역사

1824

일, 즉 "높이를 통해 들어올려진 무게"는 1824년 사디 카르노에 의해 그의 유명한 논문인 "불의 동력에 대한 성찰"에서 처음 정의되었으며, 여기서 그는 일에 원동력이라는 용어를 사용했다.구체적으로 Carnot에 따르면:

여기서는 모터가 만들어 낼 수 있는 유용한 효과를 표현하기 위해 동력을 사용합니다.이 효과는 항상 체중을 특정 높이로 상승시키는 것에 비유할 수 있습니다.이것은 아시다시피 무게에 높이 곱을 곱한 것입니다.

1845

1845년, 영국의 물리학자 제임스 줄은 ^[6]캠브리지에서 열린 영국 협회 회의를 위해 열의 기계적 등가물에 관한 논문을 썼다.이 논문에서, 그는 "높이를 통해 떨어지는 무게"의 작용을 통해 방출되는 기계적 힘이 절연된 물통에서 패들 휠을 회전시키는 것으로 가장 잘 알려진 실험을 보고했다.

이 실험에서 패들 휠의 움직임은 교반과 마찰에 의해 수역을 가열하여 수온을 증가시켰다.물의 온도 변화 δT와 중량 mg의 낙하 높이 δh를 모두 기록했다.이 값을 사용하여 Joule은 열의 기계적 당량을 결정할 수 있었습니다.Joule은 기계적 열 당량을 819ft•lbf/Btu(4.41J/cal)로 추정했습니다.현대의 열, 일, 온도, 에너지 정의는 모두 이 실험과 관련이 있다.이 장치 배치에서는 물기가 패들을 구동하여 무게가 약간이라도 증가하도록 하여 공정을 역주행하는 일은 없다.기계적인 작업은 물 주변에 놓여 있는 낙하 중량, 도르래, 패들 장치에 의해 이루어졌다.그들의 움직임은 물의 양에 거의 영향을 주지 않았다.물의 부피를 바꾸지 않는 작업은 등화성이라 불리며 되돌릴 수 없다.무게의 감소로 공급된 에너지는 열로 물속으로 전달되었다.

개요

에너지 절약

열역학의 사전 가정된 지침 원칙은 에너지 보존이다.시스템의 총 에너지는 내부 에너지, 중력과 같은 외부 힘의 장에 있는 전체 시스템에서의 위치 에너지 및 움직이는 전체 시스템에서의 운동 에너지의 합계입니다.열역학은 예를 들어 증기의 원통 같은 물질의 몸에서 그 주변의 물질로 에너지가 전달되는 것에 특별한 관심을 가지고 있습니다. 그러한 메커니즘은 열역학적 작업을 중재하는 것으로 알려져 있습니다.

열역학에서는 에너지 전달을 업무로 간주하는 것 외에 에너지 전달을 열로 간주합니다.닫힌(물질의 전달이 없는) 열역학 시스템의 프로세스에서 열역학 제1법칙은 시스템의 내부 에너지(또는 전달 조건에 따라 다른 기본 에너지 기능)의 변화를 작업 및 열로서 두 가지 에너지 전달 모드에 관련짓습니다.단열 작업은 물질 전달 및 열 전달 없이 수행됩니다.원칙적으로 열역학에서, 닫힌 시스템의 프로세스에서 전달되는 열의 양은 열 전달에 의해 발생하는 시스템의 변화에 영향을 미치는 데 필요한 단열 작업의 양으로 정의됩니다.실험 실무에서 열전달은 열량 측정 물질의 알려진 양의 온도 변화를 통해 종종 열량 측정으로 추정됩니다.

에너지는 물질의 전달을 통해 시스템에 전달되거나 시스템에서 전달될 수도 있습니다.이러한 전송의 가능성은 시스템을 폐쇄 시스템이 아닌 개방 시스템으로 정의합니다.정의상, 이러한 전달은 작업도 열도 아닙니다.

주변의 힘에 대한 물체 전체의 위치 에너지 변화 및 그 주위에 대한 물체의 운동 에너지 변화는 정의상 신체의 기본 에너지에서 제외된다(예: 내부 에너지와 엔탈피).

주변에서의 작업에 의한 거의 가역적인 에너지 전달

열역학적 시스템의 외부에서는 열역학의 법칙에 의해 원칙적으로 제한 없이 다양한 기계적 및 비기계적 거시적 형태의 작업을 서로 변환할 수 있으므로 경우에 따라 에너지 변환 효율이 100%에 근접할 수 있습니다. 이러한 변환은 마찰이 필요합니다.nless, 결과적으로 단열.^[7]특히, 원칙적으로 모든 거시적 형태의 작업은 Carnot과 Joule에 의해 고려된 열역학 작업의 원래 형태인 역기를 드는 기계적 작업으로 변환할 수 있다(위 역사 섹션 참조).일부 저자들은 역기를 드는 것과 같은 이 등가성을 ^{[8][9][10][11]}작업의 정의적 특성으로 간주했다.예를 들어, 도르래를 통해 주변으로 내려오는 무게가 열역학 시스템의 교반을 구동하는 줄의 실험 장치를 사용하면, 도르래의 재배열로 무게의 강하가 전환되어 열역학 시스템을 교반하는 대신 주변에서 또 다른 무게를 들어올릴 수 있습니다.

이러한 변환은 비교적 빠르게 발생하지만 마찰이 거의 없는 것으로 이상화할 수 있습니다.일반적으로 단순한 열역학 시스템이 아닌 장치를 통해 발생합니다(단순한 열역학 시스템은 물질로 이루어진 균질한 몸체입니다).예를 들어, Joule의 교반 실험에서 무게의 하강은 무게의 총 에너지를 감소시킵니다.예를 들어 엔트로피, 부피 및 화학 조성의 변화로 인한 무게 내부 에너지의 손실과 대조적으로 중력장에서의 거시적 위치 변화로 인한 무게에 의한 중력 위치 에너지의 손실이라고 설명된다.비교적 빠르게 발생하지만, 에너지는 어떤 식으로든 거의 완전히 작업으로서 사용 가능한 상태로 유지되기 때문에, 주변에서의 작업 전환은 거의 가역적이거나 거의 완벽하게 효율적인 것으로 이상화될 수 있다.

이와는 대조적으로, 열 엔진에서 열을 작업으로 변환하는 것은 열역학 제2법칙의 결과로 카르노 효율을 초과할 수 없습니다.이러한 에너지 변환은, 비교적 신속하게 행해진 작업, 실제 열 엔진, 주변의 열역학 시스템에 의한 작업을 통해, 가역적인 것처럼 이상화할 수 없습니다.

주위 열역학적 시스템에 의해 이루어지는 열역학적 작업은 이 원칙에 따르도록 정의된다.역사적으로 열역학은 열역학 시스템이 어떻게 주변 환경에서 작동할 수 있는지에 관한 것이었다.

단순한 열역학 시스템에 의한 작업

열역학 시스템에 대해 수행된 작업과 그에 의해 수행된 작업은 정확한 메커니즘을 고려하여 구별되어야 합니다.주변의 장치 또는 시스템에 의해 열역학 시스템에서 수행되는 작업은 압축과 같은 작용에 의해 수행되며 샤프트 작업, 교반 및 마찰이 포함됩니다.압축에 의한 이러한 작업은 여기서 정의한 열역학적 작업입니다.그러나 샤프트 작업, 교반 및 마찰은 저항 압력에 대해 시스템의 체적을 변경하지 않는다는 점에서 여기서 정의한 열역학적 작업이 아닙니다.부피의 변화가 없는 작업을 등화성 작업이라고 합니다.예를 들어, 시스템 주변의 에이전시가 시스템 표면 또는 내부에서 마찰 작용을 일으키는 경우입니다.

열역학 시스템으로부터 또는 열역학 시스템으로의 에너지 전달 과정에서, 시스템의 내부 에너지의 변화는 이론적으로 최초 상태에서 최종까지 필요한 단열 작업의 양에 의해 정의된다. 그러한 단열 작업은 외부에서 측정 가능한 기계적 또는 변형 가능한 변형을 통해서만 측정될 수 있다.프로세스 중에 시스템에 대해 주변이 가하는 힘에 대한 완전한 정보를 제공하는 시스템.Joule 측정의 경우, 마찰 과정에 의해 시스템 외부에서 발생한 (패들 물질에서) 일부 가열이 프로세스 중에 패들에서 시스템으로 열 전달로 이어지도록 프로세스가 배치되어 시스템 서라운드 작업량이 계산될 수 있었습니다.s축 작업, 외부 기계적 변수.^[12][13]

작업 시 전달되는 에너지의 양은 관심 시스템에 대해 외부에서 정의된 양으로 측정되며, 따라서 그 주변 환경에 속합니다.화학에서 선호되는 중요한 부호 규약에서 시스템의 내부 에너지를 추가하는 작업은 양의 것으로 간주됩니다.반면에, 역사적인 이유로, 물리학에서 선호되는, 자주 접하는 사인 규약은, 그 주변에 대한 시스템에 의한 작업을 긍정적으로 간주하는 것이다.

거시적 작업으로 기술되지 않은 프로세스

닫힌 시스템과 그 주변 간의 직접 접촉을 통한 열 전달의 한 종류는 입자의 미세한 열 운동과 관련된 분자 간 위치 ^[14]에너지에 의한 것입니다.그러한 과정의 미시적 설명은 거시적 열역학의 영역이 아니라 통계역학의 영역이다.또 다른 종류의 열전달은 ^[15][16]방사선에 의한 것이다.에너지의 복사 전달은 오직 뜨거운 시스템에서 차가운 시스템으로만 발생한다는 점에서 돌이킬 수 없는 것이다. 결코 다른 방법은 아니다.미세 수준의 시스템 내부에서 발생할 수 있는 에너지의 산란 변환에는 여러 가지 형태가 있습니다. 예를 들어 벌크 및 전단^[17] 점도 화학 ^[1]반응을 포함한 마찰, 줄 팽창 및 확산에서와 같은 제약 없는 팽창, 위상 ^[1]변화 등이 있습니다.

열역학적 작업에서는 시스템 간에 전달되는 에너지가 열이나 물질의 전달로 설명되지 않습니다.

오픈 시스템

개방형 시스템의 경우, 열역학 제1법칙은 세 가지 형태의 에너지 전달을 허용합니다. 즉, 작업, 열 및 전달되는 물질과 관련된 에너지입니다.후자는 열과 작업 구성요소로 고유하게 나눌 수 없습니다.

내부 에너지의 단방향 대류는 에너지의 이동 형태이지만, 때때로 잘못 생각되는 것처럼 에너지를 열로 전달하지 않습니다. 왜냐하면 단방향 대류는 물질의 전달이며, 또한 일로서 에너지의 전달도 아니기 때문입니다.그럼에도 불구하고, 시스템과 그 주변 사이의 벽이 두껍고 유체를 포함하고 있다면, 전달된 에너지의 원천과 목적지는 있지만, 중력장의 존재 하에서 벽 내부의 대류 순환은 시스템과 그 주변 사이의 열과 같이 간접적으로 에너지의 전달을 매개하는 것으로 간주될 수 있다.직접 접촉하지 않습니다.

가상으로 상상된 가역 열역학 "프로세스"

열역학적 시스템에 대한 이론적 계산의 목적으로, 사람들은 매우 느리게 발생하는 가공의 이상화된 열역학적 "과정"을 상상할 수 있다. 그래서 그들은 시스템 내부 또는 표면에서 마찰을 일으키지 않는다; 그러면 사실상 가역적인 것으로 간주될 수 있다.이러한 가공 과정은 열역학계의 특성 방정식에 의해 정확하게 묘사되는 기하학적 표면상의 경로를 따라 진행됩니다.이 기하학적 표면들은 시스템에 대한 열역학적 평형의 가능한 상태의 궤적입니다.실제로 가능한 열역학적 과정은 실제 속도로 발생하며, 열전달이 없는 단열로 평가된 주변 작업에만 의해 발생하더라도 항상 시스템 내에서 마찰이 발생하므로 항상 되돌릴 수 없습니다.실제로 가능한 프로세스의 경로는 항상 기하학적 특성 표면에서 벗어납니다.열전달이 없는 단열로 평가된 주변 작업만으로 발생하더라도 이러한 이탈은 항상 엔트로피 생성을 수반한다.

줄 가열 및 마찰

열역학 작업의 정의는 부피, 몰 화학 구성 또는 전기 분극과 같은 시스템의 광범위한 변형^[18](및 화학적 구성 및 특정 기타) 상태 변수의 변화에 관한 것이다.광범위한 변형이나 기타 변수가 아닌 상태 변수의 예로는 U = U(S, V, {N_j})와 같이 온도 T와 엔트로피 S가 있다.이러한 변수의 변화는 단일 단열 열역학 과정을 사용하여 물리적으로 측정할 수 없습니다. 열역학 작업이나 물질의 전달에 의해 발생하지 않는 과정이며, 따라서 열전달에 의해 발생한다고 합니다.열역학적 작업의 양은 시스템이 주변 환경에서 수행하는 작업으로 정의됩니다.열역학 제2법칙에 따르면 이러한 작업은 되돌릴 수 없다.열역학적 작업의 양을 실제적이고 정확하게 측정하기 위해서는 타깃 작업을 스텝으로 포함하는 사이클(예를 들어 카르노 사이클)을 실행하여 시스템을 초기 상태로 복원함으로써 불가역성을 고려해야 합니다.시스템이 주변 환경에서 수행하는 작업은 전체 ^[19]사이클을 구성하는 양으로 계산됩니다.시스템 환경에서 실제로 수행된 작업을 측정하려면 다른 주기가 필요합니다.이는 시스템 표면을 문지르는 것이 열역학적 작업이 아니라 시스템에서 수행된 기계적 작업이라고 생각되지만 열역학적 작업으로 보이지 않는다는 것을 상기시켜 줍니다.마찰에 의한 열의 생성은 되돌릴 ^[20]수 없습니다.역사적으로, 그것은 열을 보존 ^[21]물질로 열량 이론을 거부하는 증거였습니다.줄 가열로 알려진 비가역적 프로세스는 비변형 확장 상태 변수의 변경을 통해서도 발생합니다.

따라서, 라벤다는 열량 ^[22]측정으로 측정할 수 있는 열만큼 일은 원시적인 개념이 아니라고 생각한다.이 의견은 단열작업의 관점에서 열의 현재 관행적인 열역학적 정의를 부정하지 않는다.

열역학 작용으로 알려진 열역학 과정의 시작 요인은 많은 경우 시스템과 주변 환경 사이의 벽 투과성의 변화입니다.문지르는 것은 벽 투과성의 변화가 아닙니다.열역학 제2법칙에 대한 켈빈의 진술은 "무생물 물질 대리점"이라는 개념을 사용한다; 이 개념은 때때로 ^[23]곤혹스러운 것으로 여겨진다.마찰 과정의 트리거는 내부 열역학 평형 상태의 열역학 시스템이 아닌 주변에서만 발생할 수 있습니다.이러한 트리거링은 열역학적 작동으로 설명할 수 있습니다.

형식적 정의

열역학에서, 닫힌 시스템이 그 주위에 수행하는 작업의 양은 시스템과의 주변 및 시스템 주변, 예를 들어 시스템이 시스템 외부에 위치한 확장된 중력장에 의해 엄격하게 제한되는 요인에 의해 정의됩니다.

열역학의 주요 관심사는 재료의 특성이다.열역학적 작업은 열역학 시스템이라고 알려진 물질의 물체에 대한 열역학적 계산을 위해 정의됩니다.따라서 열역학적 작업은 부피, 압력, 온도, 화학적 조성 및 전기 편광과 같은 일반적인 열역학적 상태 변수로 나타나는 물질의 상태를 설명하는 양으로 정의된다.예를 들어 시스템 외부에서 시스템 내부의 압력을 측정하려면 관찰자가 시스템 내부와 주변 간의 압력 차이에 따라 측정 가능한 양만큼 이동할 수 있는 벽이 있어야 합니다.이런 의미에서 열역학 시스템의 정의 중 일부는 그것을 제한하는 벽의 성질이다.

여러 종류의 열역학 작업이 특히 중요하다.한 가지 간단한 예는 압력-볼륨 작업입니다.우려되는 압력은 시스템 표면에서 주변이 가하는 압력이며, 관심 부피는 시스템이 주변으로부터 얻는 부피의 증가에 대한 음수이다.일반적으로 시스템 표면에 가해지는 압력이 잘 정의되어 있고 시스템이 주위에 가하는 압력과 동일하도록 배치되어 있습니다.작업 시 에너지 전달에 대한 이러한 배치는 압력-부피 작업의 엄격히 기계적 특성에 따라 특정 방식으로 변경될 수 있다.이 변형은 시스템과 주변 환경 사이의 커플링이 시스템과 주변 환경을 위해 서로 다른 영역의 피스톤을 연결하는 견고한 로드를 통해 이루어지도록 하는 것으로 구성됩니다.그리고 전달되는 작업량의 경우, 부피의 교환은 기계적 평형을 위해 피스톤 영역과 반대로 다른 압력을 수반합니다.이는 비기계적인 ^[24]특성으로 인해 열로 에너지를 전달하기 위해 수행될 수 없습니다.

또 다른 중요한 종류의 작업은 등화학적 작업이다. 즉, 프로세스의 초기 상태와 최종 상태 사이에 시스템의 전체적인 체적 변화가 수반되지 않는 작업이다.예를 들어 Rumford의 실험과 같은 시스템 표면의 마찰, Joule의 실험과 같은 축 작업, 주변으로부터 움직이는 자기장에 의해 구동되는 시스템 내부의 자기 패들에 의한 시스템 교반, 최종 체적은 변하지 않지만 시스템 내부의 마찰이 수반되는 시스템에서의 진동 작용 등이 있습니다.줄기. 내부의 열역학적 평형 상태에 있는 물체에 대한 등화학적 기계적 작업은 주변의 몸이 아닌 몸 주변에서만 이루어지기 때문에 물리학적 기호 규칙과 같은 등화학적 작업의 신호는 항상 부정적이다.

예를 들어 압력-용적 작업 등의 작업을 단열벽에 의해 제한되기 때문에 열을 안팎으로 전달할 수 없는 폐쇄 시스템에 의해 수행할 경우 작업은 시스템뿐만 아니라 주변 환경에도 단열이라고 한다.주위에 의해 단열로 밀폐된 시스템에서 기계적 작업이 수행될 경우, 예를 들어 시스템을 교반하는 낙하 중량 구동 패들을 사용한 줄 실험과 같이 주변에서의 마찰이 무시할 수 있는 경우가 발생할 수 있습니다.이러한 작업은 시스템 내 마찰과 관련이 있지만 주변 환경에 단열적입니다.이러한 작업은 시스템 및 그 구속벽에 따라 시스템에 대해 등화성이 있을 수도 있고 아닐 수도 있습니다.시스템에 대해 등화성이 있는 경우(결국 자화 등의 다른 시스템 상태 변수를 변경하지 않는 경우), 시스템에 대한 열전달로 나타나며 시스템에 단열성이 있는 것으로 보이지는 않습니다.

서명 규칙

열역학의 초기 역사에서, 시스템이 주변 환경에서 수행한 양의 작업은 시스템에서 에너지를 잃게 합니다.이 역사 기호 규칙은 많은 물리학 교과서에서 사용되어 왔고 본 ^[25]기사에서 사용되고 있다.

닫힌 시스템의 열역학 제1법칙에 따르면 내부 에너지 U의 순변화는 시스템에 유입되는 열 Q 및 ^[14]시스템에 의해 수행되는 작업 W의 관점에서 완전히 설명되어야 합니다.

$\displaystyle \Delta U=Q-W.\;}$ ^[26]

대체 신호 규약은 시스템이 주변 환경에서 수행한 작업을 긍정적으로 간주하는 것입니다.그 결과 ${\displaystyle \delta }$ U ${\displaystyle =Q}$ +$$ \$style \Delta$ U $= Q$ + $W$} 가 표시되게 됩니다.이 규칙은 역사적으로 화학에 사용되어 왔지만, 몇몇 현대 물리학 ^{[25][27][28][29]}교과서에 채택되었다.

이 방정식은 전달된 열과 수행된 작업이 시스템 상태의 특성이 아니라는 사실을 반영합니다.시스템의 초기 상태와 최종 상태만 볼 때 내부 에너지의 총 변화가 어느 정도였는지, 얼마나 많은 에너지가 열로 방출되었는지, 그리고 얼마나 많은 에너지가 작용했는지를 말할 수 있을 뿐이다.이는 열과 작업이 시스템의 ^[14]상태 기능이 아니라는 것으로 요약할 수 있습니다.이것은 입자에 의해 가해지는 순 작업이 상태 함수인 고전 역학과 대조적이다.

압력-볼륨 작업

압력-볼륨 작업(또는 PV 작업)은 시스템의 볼륨 V가 변경될 때 발생합니다.PV 작업은 종종 1L·atm = 101.325J일 때 리터 단위(L)로 측정된다.그러나 리터 수지는 P를 파스칼(Pa), V를³ m, PV를 줄(J)로 측정하는 SI 단위계에서 인식된 단위가 아니다. 여기서 1 J = 1 Pa·m이다³.PV 연구는 화학 열역학에서 중요한 주제이다.

닫힌 시스템의 프로세스에서는 주변으로 이동 및 전달되는 힘을 정확하게 정의할 수 있을 정도로 천천히 발생하는 작업을 ^[30][31]다음 미분 방정식으로 나타냅니다.

어디에

• ${\displaystyle }$§ $(\displaystyle$ \$delta$ W$$$)$는 주변으로 에너지를 전달하면서 시스템이 수행하는 작업의 극히 적은 증가를 의미합니다.
• ${\displaystyle P}${\$displaystyle$ P$}$는 움직이는 벽에 가해지는 시스템 내부의 압력으로 주위에 ^[32]힘을 전달합니다.대체 기호 규칙에서는 오른쪽에 음의 ^[29]부호가 있습니다.
• ${\displaystyle d}$ V$(\displaystyle dV)$는 시스템 볼륨의 최소 증가를 나타냅니다.

게다가.

$여기$서 W$(\displaystyle$ W$)$는 전체 리버서블 프로세스 중에 시스템이 수행한 작업을 나타냅니다.

열역학 제1법칙은 다음과 같이 표현될^[14] 수 있다.

(W = 시스템에서 작업하는 대체 부호 표기법에서는 ${\displaystyle w}$ W$=$ - ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle d}$V (\displaystyle \p display W=-$P,dV$이지만 ${\displaystyle d}$ U $=$ ${\displaystyle q}$Q - ${\displaystyle P}$ d$$ (\$display$ style $dU$=\$delta Q-P,dV)$는 변경되지 않습니다.)

경로 의존성

P-V 작업은 경로에 의존하며, 따라서 열역학적 프로세스 함수입니다.${\displaystyle 일반적}$으로 P ${\displaystyle d}$ V$(\displaystyle$ P$,dV)$라는 용어는 정확한 ^[33]차분이 아닙니다.공정이 준정적이라는 진술은 프로세스에 대한 중요한 정보를 제공하지만 P-V 경로를 고유하게 결정하지는 않습니다. 왜냐하면 P-V 경로는 부피가 앞뒤로 느리게 여러 번 이동할 수 있으며, 이는 준정적 요건에서 이탈하여 발생하는 시스템 내의 마찰을 충분히 천천히 배제할 수 있기 때문입니다.단열벽은 전도나 방사선에 의한 에너지 통과를 허용하지 않는 벽이다.

열역학 제1법칙은 ${\displaystyle \delta }$ U ${\displaystyle =Q}$ -$$(\$displaystyle \Delta$ U$=Q-W$라고 명시합니다.

준정적 단열 프로세스의 경우, ${\displaystyle \mathrm{다음}}$과 같이 ${\displaystyle \mathrm{\theta }}$ Q $=$ 0 { $displaystyle$\ $displaystyle$ Q $=$0 } 입니다$$.

${\displaystyle \mathrm{또한}}$ § W ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \mathrm{Pd}}$V (\$displaystyle$\displaystyle \$display$ W =$PdV$)그래서$$$따라서{\displaystyle }$ d ${\displaystyle U}$ $=$ - ${\displaystyle w}$ W $(\displaystyle dU$=-\$delta$ W$)$는 다음과 같습니다.준정적 단열 프로세스의 경우, 내부 에너지의 변화는 시스템에 의해 수행된 적분량을 뺀 것과 같으며 프로세스의 초기 및 최종 상태에 따라 달라지며 모든 중간 경로에 대해 동일하다.

프로세스 경로가 준정적 및 단열적 경로가 아닌 경우, 초기 상태와 최종 상태 사이에는 작업량이 크게 다른 다양한 경로가 무한히 존재합니다.

현재 수학 표기법에서는 미분$$ W(\$displaystyle \delta$ W$)$는 부정확한 ^[14]미분입니다.

다른 표기법에서는 θW는 dW(d를 통과하는 행 포함)로 쓴다.이 표기법은 dW가 정확한 단일 형식이 아님을 나타냅니다.라인 스루는 단지 dW의 잠재력인 함수(0-form) W가 실제로 없음을 경고하는 플래그일 뿐입니다.만약 이 함수 W가 실제로 존재한다면, 우리는 스토크스 정리를 사용하여 경로의 경계에서 이 추정 함수, 즉 dW의 잠재성을 평가할 수 있을 것이고, 따라서 작업은 상태 함수가 될 것이다.이 불가능은 PV 다이어그램의 한 점에 대한 작업을 참조하는 것이 타당하지 않다는 사실과 일치합니다. 작업은 경로를 전제로 합니다.

기타 기계 작업 유형

기계적 작업을 하는 방법에는 여러 가지가 있는데,^[34] 각각은 어떤 식으로든 거리를 통해 작용하는 힘과 관련이 있습니다.기초역학에서 힘의 방향으로 거리 s를 이동시킨 물체에 대한 일정한 힘 F에 의해 수행되는 작업은 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle W=F}$

힘이 일정하지 않으면 작업량의 차이를 적분하여 작업을 수행합니다.

${\displaystyle W=\int _{1}^2}F,ds.}$

회전 작업

회전축을 사용한 에너지 전달은 엔지니어링 실무에서 매우 일반적입니다.축에 가해지는 토크 T는 일정하며, 이는 가해지는 힘 F가 일정함을 의미합니다.지정된 일정한 토크의 경우, n회전 중에 수행되는 작업은 다음과 같이 결정됩니다.모멘트 암 r을 통과하는 힘 F는 토크 T를 발생시킨다.

${\displaystyle T=Fr\implies F=frac {T}{r}}$

이 힘은 거리 s를 통해 작용하며, 거리 s는 다음과 같이 반지름 r에 관련된다.

${\displaystyle s=2r\pin}$

그런 다음 다음 축 작업을 결정합니다.

${\displaystyle W_{s}=Fs=2\pi nT}$

축을 통해 전달되는 동력은 단위 시간당 수행되는 축 작업이며, 이는 다음과 같습니다.

${\displaystyle {W}}_{s}=2\pi T{\dot {n}}}$

봄철 작업

스프링에 힘이 가해지고 스프링의 길이가 차이 양 dx만큼 변화하면, 수행된 작업은 다음과 같습니다.

$\displaystyle \display w_{s}=Displayx}$

선형 탄성 스프링의 경우 변위 x는 가해지는 힘에 비례합니다.

${\displaystyle F=Kx,}$

여기서 K는 스프링 상수이며 단위는 N/m이다.변위 x는 스프링의 방해받지 않은 위치(즉, F = 0일 경우 X = 0)에서 측정됩니다.두 방정식을 대입하다

${\displaystyle W_{}}$ s ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle 1\frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{2}{}k{}_{}^{}}$ ( x ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}^{}{}_{}^{}}$ - ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}^{}}$ 2$$) { $displaystyle W$_ { s } =$flac {1}$ {2} $k \$ left ( x _ { $1 }^{$2} - x$_$ {$2}^2}$ \ $right )$,

여기서₁ x와₂ x는 각각 스프링의 초기 및 최종 변위이며, 스프링의 방해받지 않은 위치에서 측정된다.

탄성 솔리드 바 작업

고체는 종종 선형 스프링으로 모델링됩니다. 왜냐하면 힘의 작용에 의해 수축되거나 늘어나며 힘이 상승되면 스프링처럼 원래 길이로 돌아가기 때문입니다.힘이 탄성 범위에 있는 한, 즉 영구적 또는 소성 변형을 일으킬 만큼 크지 않은 경우 이는 사실이다.따라서 선형 스프링에 대해 주어진 방정식을 탄성 고체 바에도 사용할 수 있습니다.또는 고체에서 압력 P를 상대 압력 P로 치환하여 탄성 고체 바의 신축과 관련된 작업을 결정할 수 있으며, 정상 응력 θ = 워크 확장 시 F/A

${\displaystyle W=\int _{1}^{2}F,dx}$

${\displaystyle W=\int _{1}^2}A\sigma,dx.}$

여기서 A는 바의 단면적입니다.

액막 연신 관련 작업

와이어 프레임에 매달려 있는 비누 필름 등의 액체 필름을 생각해 보십시오.와이어 프레임의 이동 가능한 부분에 의해 이 필름을 늘리기 위해서는 약간의 힘이 필요합니다.이 힘은 액체-공기 계면에서 분자 사이의 미세한 힘을 극복하기 위해 사용됩니다.이러한 미세한 힘은 표면상의 어떤 선과도 수직이며, 단위 길이당 이러한 힘에 의해 발생하는 힘을 표면장력θ라고 하며, 단위는 N/m이다.따라서 필름의 스트레칭과 관련된 작업은 표면 장력 작업이라고 불리며, 다음과 같이 결정됩니다.

${\displaystyle W_{s}=\int _{1}^{2}\display_{s},dA.}$

여기서 dA=2b dx는 필름 표면적의 변화입니다.인자 2는 필름에 공기와 접촉하는 두 개의 표면이 있기 때문입니다.표면 장력 효과의 결과로 가동 와이어에 작용하는 힘은 F = 2b µ이다. 여기서 θ는 단위 길이당 표면 장력이다.

자유 에너지 및 엑서지

열역학 시스템에서 추출할 수 있는 유용한 작업의 양은 열역학 제2법칙에 의해 결정됩니다.많은 실제 상황에서 이는 열역학적 가용성 또는 Exergy 함수로 나타낼 수 있습니다.두 가지 중요한 경우: 온도와 부피가 일정하게 유지되는 열역학 시스템에서 달성 가능한 유용한 작업의 척도는 헬름홀츠 자유 에너지 함수이며, 온도와 압력이 일정하게 유지되는 시스템에서 달성 가능한 유용한 작업의 척도는 깁스 자유 에너지입니다.

비기계적 작업 형태

열역학에서 비기계적인 작업은 시스템이 노출되는 외력장에 의해 발생하는 작업입니다.이러한 힘의 작용은 시스템 주변의 사건이나 시스템의 차폐벽에 대한 열역학적 작동에 의해 개시될 수 있다.

힘의 장에 대한 비기계적 작업은 양의 신호 또는 음의 신호를 가질 수 있으며, 주변 환경에서 시스템에 의해 수행되는 작업 또는 그 반대 신호를 가질 수 있습니다.힘장에 의해 이루어진 작업은 무한히 천천히 이루어지기 때문에 프로세스에 의해 시스템에 엔트로피가 생성되지 않는 가공의 가역적 준정적 이상에 근접할 수 있다.

열역학에서 비기계적인 작업은 시스템과 그 주변 환경 사이에 직접 접촉하는 힘에 의해 수행되는 기계적 작업과 대조되어야 합니다.공정의 추정 '작업'을 장거리 작업 또는 접촉 작업으로 정의할 수 없는 경우, 열역학 형식주의로 전혀 설명할 수 없는 경우가 있습니다.그럼에도 불구하고, 열역학적 형식주의는 작업이 정의되지 않은 프로세스에 의해 개방된 시스템과 그 주변 환경 사이에 에너지가 전달될 수 있도록 합니다.예를 들어, 시스템과 그 주변 사이의 벽이 이상적이고 얇아질 정도로 얇다고 간주되지 않을 때, 벽면을 가로지르는 물질의 이동에 영향을 미치는 마찰과 같은 과정이 벽 안에서 발생할 수 있습니다. 이 경우, 전달의 힘은 엄격히 먼 거리도 아니고, 시스템과 그 사이의 접촉에 의해서도 엄격하지 않습니다.에너지 전달은 대류에 의한 것으로 간주할 수 있으며, 내부 에너지의 전달과 동일하게 총계를 평가할 수 있습니다.이것은 개념적으로 닫힌 시스템과 그 주변 사이의 두꺼운 유체로 채워진 벽을 통한 열로서의 에너지 전달과는 다릅니다. 이 경우 벽 내부에는 대류 순환이 있을 수 있지만 이 과정은 여전히 시스템과 그 서로 사이의 열과 같은 에너지 전달로 간주될 수 있습니다.벽의 부피를 변경하지 않고 주위로부터 힘을 가하여 벽 전체를 움직이면, 그것은 또한 작업과 동시에 에너지를 전달하는 것이다.시스템 내의 화학 반응은 시스템의 화학 반응 자체에도 불구하고 전기적인 장거리 힘과 전류 흐름으로 이어질 수 있습니다(단, 시스템의 화학 반응 자체에서 라인에 따라 발생하도록 주변 장치를 통해 구동되는 특수한 제한 사례는 제외).열역학적 평형)은 항상 되돌릴 수 없으며 시스템 ^[35]주변과 직접 상호작용하지 않습니다.

비기계적인 작업은 압력-부피 작업과 대조됩니다.압력-체적 작업은 주로 고려되는 두 가지 종류의 기계적 접촉 작업 중 하나이다.힘은 시스템과 주변 환경 사이의 경계벽에 작용합니다.이 힘은 시스템 내부 소재가 인터페이스 벽에 가하는 압력으로 인해 시스템의 내부 상태 변수이지만 벽의 외부 장치에 의해 적절하게 측정됩니다.이 작업은 시스템의 확장 또는 축소에 의한 시스템 볼륨 변경에 의한 것입니다.시스템이 확대되면, 이 기사에서는, 주위에 긍정적인 작용을 한다고 한다.시스템이 수축하면 이 기사에서는 주위에 부정적인 작용을 한다고 한다.압력-볼륨 작업은 주변 벽 또는 시스템 경계에 있는 물질과의 직접 접촉을 통해 발생하기 때문에 접촉 작업의 일종입니다.시스템의 압력 및 체적 변화 시간 경로 등 시스템의 상태 변수 변화에 의해 정확하게 설명됩니다.시스템의 부피는 "변형 변수"로 분류되며, 주변 환경에서 시스템에 대해 외부에서 적절하게 측정됩니다.압력-볼륨 작업에는 양의 신호 또는 음의 신호가 있을 수 있습니다.압력-체적 작업은 충분히 천천히 수행되며, 가공의 가역적 준정적 이상에 접근하도록 만들 수 있다.

비기계적인 작업은 샤프트 작업과도 대비됩니다.축 작업은 주로 검토되는 두 가지 유형의 기계적 접촉 작업 중 하나입니다.회전으로 에너지를 전달하지만 시스템의 모양이나 부피는 변경되지 않습니다.시스템의 부피를 변경하지 않기 때문에 압력-부피 작업으로 측정되지 않으며 등화성 작업이라고 합니다.시스템의 초기 형태와 최종 형태 및 체적 간의 궁극적인 차이만을 고려할 때 샤프트 작업은 변경되지 않습니다.예를 들어 패들 회전과 같은 샤프트 작업 과정에서 시스템의 형상은 주기적으로 변화하지만, 이로 인해 시스템의 모양이나 부피가 최종적으로 변화하지는 않습니다.축 작업은 시스템의 경계에서 주변 물질과 직접 접촉함으로써 발생하기 때문에 접촉 작업의 일종입니다.처음에 열역학적 평형 상태에 있는 시스템은 내부 에너지의 어떠한 변화도 일으킬 수 없다.특히 샤프트 작업을 시작할 수 없습니다.이것은 켈빈이 열역학 제2법칙에 대한 그의 진술 중 하나에서 "무생물 물질 대리점"이라는 문구를 이상하게 사용한 이유를 설명해준다.열역학적 작동이나 주변 환경의 변화는 구동축의 무한 연장, 변화 또는 회전 정지 등의 정교한 변화를 만들어 낼 수 있는 것으로 간주되지만, 열역학적 평형 상태에서 시작하는 시스템은 무생물이며 자발적으로 그렇게 ^[36]할 수 없다.따라서 샤프트 작업의 징후는 항상 음성이며, 주변이 시스템에서 작업을 수행합니다.샤프트 작업은 무기한 느리게 수행되기 어렵습니다. 따라서 시스템 내에서 항상 엔트로피를 생성합니다. 왜냐하면 샤프트는 시스템 ^[37]내에서의 이동에 마찰이나 점도에 의존하기 때문입니다.축 공사에 대한 상기 언급은 시스템이 각운동량과 관련 에너지를 저장할 수 있다는 사실을 무시할 때만 적용됩니다.

비기계 작업 모드의 예는 다음과 같습니다.

• 전기장 작업 – 주변 전압(전위)에 의해 힘이 정의되며 일반화된 변위는 전하의 공간 분포 변화이다.
• 전기 편파 작업 – 주변 전계 강도에 의해 힘이 정의되고 일반화된 변위가 매체의 편파 변화(분자의 전기 쌍극자 모멘트의 합계)인 경우
• 자기 작업 – 주변 자기장 강도에 의해 힘이 정의되며 일반화된 변위는 총 자기 쌍극자 모멘트의 변화이다.

중력 작용

중력 작용은 중력장에서 측정된 물체에 가해지는 힘에 의해 정의된다.이는 시스템 내 물질의 공간 분포 변화 형태로 일반화된 변위를 일으킬 수 있다.시스템은 내부 마찰을 통해 내부 에너지(또는 엔탈피와 같은 기타 관련 기본 에너지량)를 얻습니다.주변에서는 이러한 마찰작업이 기계적인 작업으로 보이지만, 시스템에서 보면 열과 같은 에너지의 전달로 보입니다.시스템이 내부 열역학적 평형 상태에 있을 때, 온도는 내내 균일합니다.엔트로피를 제외한 부피 및 기타 광범위한 상태 변수가 프로세스 전체에 걸쳐 일정하게 유지되면 전달된 열은 온도 및 엔트로피의 증가로 나타나야 합니다. 균일한 중력장에서는 시스템의 압력이 꼭대기보다 아래쪽에서 더 커집니다.

정의에 따르면, 관련된 기본 에너지 함수는 시스템 전체의 중력 퍼텐셜 에너지와 구별됩니다. 후자는 시스템 주변의 중력 작용의 결과로 바뀔 수도 있습니다.시스템의 중력 퍼텐셜 에너지는 다른 구성 요소, 즉 기본 열역학(예: 내부) 에너지 및 전체 시스템 운동 에너지와 함께 총 에너지의 구성요소입니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 전기화학 수소 압축기
• 화학 반응
• 미시적 상태(통계 역학) - 작업의 미시적 정의를 포함합니다.

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