열역학 제1법칙

요약 계의 내부에너지 변화는 계가 흡수한 열과 계가 한 일의 차이이다. 즉, 계의 내부에너지는 열의 형태로 더해지면 증가하고, 계가 일을 하면 감소한다.

열역학 제1법칙을 간단히 수식으로 써보면 다음과 같다.

△E = Q - W

여기서 E는 내부 에너지, Q는 계에 흡수되는 열, W는 계가 한 일이다. 계가 열 Q를 흡수하면 내부에너지는 증가하고 방출하면 내부에너지는 감소한다. 그리고 계가 일을 하면 내부에너지는 감소하고, 계가 외부로부터 일을 받으면 내부에너지는 증가한다. 이때 W는 계가 행한 일을 의미하여 앞에 마이너스 부호를 붙이는데, 계에 행해진 일로 해석하여 ‘△E = Q + W’로 나타내기도 한다. 

열역학 제1법칙의 특수한 경우로 4가지(단열팽창/단열압축 과정, 자유팽창과정, 등적과정, 등온과정)가 있다.

첫째, 단열팽창 또는 단열압축 과정이다. 열역학 제1법칙 △E = Q - W 에서 Q = 0인 경우이다. 즉 외부로부터 열의 출입이 없는 경우이다. 그러면 △E = -W가된다. 이는 외부와 열에너지 전달이 일어나지 않는 과정이다. 계(System)가 일을 하면 내부에너지는 그만큼 감소하고, 반대로 계가 외부로부터 일을 받으면 내부에너지는 그만큼 증가한다.

단열벽은 계에 출입하는 열을 완벽하게 막는다. 계와 주위 사이에서 에너지가 전달될 수 있는 방법은 오직 납알을 올리거나 내리는것 뿐이다. 피스톤 위에 납알을 올리면 기체가 압축되어 계가 한 일은 음의 값이고 내부에너지는 증가한다. 반면 납알을 내리면 기체가 팽창되어 계가 한 일은 양의 값이고, 내부에너지는 감소한다.

둘째, 자유팽창과정이다. 자유팽창은 계와 주위 사이에 열전달이 없고, 계가 일도 하지 않는 단열과정의 일종이다. 열역학 제1법칙 △E = Q - W 에서 Q = W = 0인 경우이다. 그러면 △E = 0이 된다.

자유팽창에서 잠금마개가 열리면 기체는 자유팽창을 하여 양쪽 공간을 모두 채운다. 이 때 두 공간은 단열되어 있으므로 외부와 열전달은 없다. 그리고 기체가 아무 압력도 받지 않고 진공으로 들어가므로 일도 없다.

셋째, 등적과정이다. 열역학 제1법칙 △E = Q - W 에서 W = 0인 경우이다. 즉 부피가 일정하다. 계가 열을 흡수하면 계의 내부에너지는 증가하고, 반대로 열을 잃으면 내부에너지가 감소한다.

넷째, 등온과정이다. 온도를 일정하게 유지하고 압력과 부피를 변화시키는 과정으로, 열역학 제1법칙 △E = Q - W 에서 △E = 0인 경우이다. 따라서 Q = W가된다. 등온과정을 따르므로, 즉 온도 변화가 없으므로 내부 에너지가 일정하고, 외부에서 공급되는 열에너지는 모두 일로 변한다.