단열변화

요약 매우 빨리 진행되거나 단열이 매우 잘 되어 외부와 열전달이 일어나지 않는 과정을 단열과정 또는 단열변화라 한다.

열역학 제1법칙 ΔE = ΔQ - ΔW 에서 단열과정은 ΔQ = 0인 경우이다. 따라서 이 관계식은 ΔE = -ΔW가 된다. 즉, 계가 일을 하면 계의 내부에너지는 감소하고, 반대로 계에 일을 해주면 계의 내부에너지는 증가한다.

기체의 내부에너지는 기체분자의 운동에너지에 비례한다. 그리고 운동에너지는 속력이 클수록 더 크다. 외부와 열 교환이 없는 단열상태에서 기체의 부피를 줄이면 기체분자가 외벽에 충돌할 때 운동에너지를 더 얻어서 평균속력이 더 커진다. 따라서 기체를 압축하면 기체분자의 운동이 더 빨라지고 내부에너지가 증가한다. 반대로 기체가 팽창하면 내부에너지는 줄어든다.

[그림]과 같이 이상적인 단열과정을 예로 들어보자. 단열 벽 때문에 열에너지의 출입은 전혀 없다고 가정한다. 따라서 원통 속에 있는 기체의 내부에너지를 변화시키려면 피스톤 위에 쇠구슬을 올리거나 내려 기체를 압축시키거나 팽창시켜야 한다. 기체를 압축시키는 것은 계에 일을 하는 것 또는 계가 일을 받는 것으로 계가 한 일의 양 ΔW는 음의 값을 가진다. 반대로 기체를 팽창시키는 것은 계가 일을 하는 것으로 ΔW는 양의 값을 가진다. 따라서 쇠구슬을 더 올려 기체를 압축시키면 기체의 내부에너지는 증가하고, 쇠구슬을 내려 기체가 팽창하면 내부에너지는 감소한다.

예를 들어, 펌프로 공기를 급격하게 타이어 속에 넣을 때에는 열이 출입할 여유가 없을 정도로 갑자기 압축되므로 단열변화에 가까운 상태가 된다. 내부의 공기가 압축되면서 내부에너지가 증가하고, 내부의 공기의 온도가 올라가 타이어가 뜨거워진다. 또, 큰 주사기의 끝을 막고 갑자기 피스톤을 잡아 당기면 주사기 속의 공기가 갑자기 팽창한다. 따라서 공기의 내부에너지는 감소하고 온도가 내려가 주사기 안쪽에 수증기가 생긴다.

대기

대기 속에서 이루어지는 단열변화는 기단(氣團) 속에 있는 수증기의 상태변화에 따라 다음의 네 단계로 나뉜다.

① 건조급(미포화급): 공기는 건조단열시에 냉각한다. 즉, 100m 상승할 때마다 약 1℃의 비율로 기온이 내려가는데, 이 과정은 포화상태에 도달할 때까지 계속된다.

② 성우급(成雨級): 포화상태에 도달할 때까지 기온이 내려간 기단이 다시 단열팽창하면 습윤(濕潤)단열변화가 일어나 기온이 내려가는 비율은 감소하지만, 그 후 동결점(凍結點)에 도달한다.

③ 성박급(成雹級): 물이 얼음으로 변할 때 방출되는 응고열과 단열냉각이 평형을 이루어 기온은 동결점에서 정지한다.

④ 성설급(成雪級): 공기는 포화상태인 채로 상승과 동시에 냉각해 간다. 이 과정에서 물의 결정은 승화에 의해서 직접 빙정(氷晶)으로 변한다. 성설급은 공기가 완전히 건조할 때까지 계속되는데, 완전히 건조하면 다시 건조급의 변화가 일어난다