엔탈피 엔트로피 그리고 열역학의 제2법칙

다음 개념들의 기본적인 이해를 개발하는 것이 목표입니다:

• 내부 에너지와 열역학 제1법칙

• 시스템의 순환 및 임의 과정

• 가역성과 비가역성

• 엔트로피와 엔탈피

• 열역학 제2법칙

내부 에너지와 열역학 제1법칙

시스템 내 분자의 에너지가 시스템의 속성과 관련되어 있을 때 이를 내부 에너지(u)라고 합니다.
에너지가 생성되거나 소멸되지 않으며, 이 원칙에 따라 시스템 경계를 넘어서는 에너지가 시스템의 내부 에너지(u)를 변화시킵니다.
따라서 열이나 작업이 시스템과 상호작용할 때 열역학 제1법칙은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

위의 식에서 u는 단위 질량당 내부 에너지이고, q와 w는 각각 단위 질량당 열과 작업을 나타냅니다. 위 식에서 채택된 부호 규약은:
dq > 0 (양수로 간주) ⇒ 시스템으로의 열 전달
dq < 0 (음수로 간주) ⇒ 시스템에서의 열 전달 dw > 0 (양수로 간주) ⇒ 시스템이 수행한 작업
dw < 0 (음수로 간주) ⇒ 시스템에 대한 작업

시스템의 순환 및 임의 과정

열역학 제1법칙의 중요한 형태 중 하나는

순환 과정에 대해 위의 방정식을 적분합니다.

시스템이 열이나 작업으로 인해 무작위한 변화를 겪고 다시 초기 상태로 돌아올 때 순환 과정이라고 합니다.

고려해야 할 사항은:

1. 어떤 상태 속성의 미분을 적분하면 그 한계값의 차이가 됩니다.

2. 최종 상태는 초기 상태와 같으며, 시스템의 내부 에너지는 변하지 않습니다.

따라서

위 식에서 내부 에너지의 초기 상태와 최종 상태는 i와 f로 표시됩니다. 이를 식 (1)에 대입하면,

식 (2)는 시스템이 수행한 모든 작업의 적분 또는 시스템이 수행한 네트워크가 시스템으로 전달된 모든 열의 적분과 같습니다. 공학 열역학은 시스템과 과정의 개념을 더 깊게 탐구합니다.

시스템의 임의 과정

이는 열역학 제1법칙의 결과이며, 시스템이 임의의 과정을 거칠 때 식 (1)과 관련이 있습니다.

이 식에서 q와 w는 각각 과정의 순열전달과 순작업을 나타내며, uf와 ui는 내부 에너지(u)의 최종 값과 초기 값을 나타냅니다. 강체적이고 절연된 단열 시스템(w = 0, q = 0)에서는 그 내부 에너지(u)가 변하지 않습니다. 그러면 순환 과정의 식 (2)에서.

가역성과 비가역성

시스템이 초기 상태에서 최종 상태로 변경될 때 시스템이 과정을 진행한다고 말합니다. 압력, 부피, 엔탈피, 온도, 엔트로피 등의 속성이 열역학 과정 동안 변경됩니다. 열역학 제2법칙은 이러한 과정을 두 가지 범주로 나눕니다.

• 이상적 또는 가역적인 과정

• 자연적 또는 비가역적인 과정

시스템이 과정을 거치면서 온도(t)와 압력(p)의 변화가 매우 작다면, 해당 과정은 균형 상태에 가까운 것으로 간주되거나 가역성을 접근하는 것으로 볼 수 있습니다.
원래 상태가 역방향으로 복원되면 해당 과정은 내부적으로 가역적이라고 말합니다.
변화를 수반하는 외부 환경도 순차적으로 역방향으로 복원될 수 있다면, 해당 과정은 외부적으로 가역적이라고 말합니다.
가역적 과정은 내부와 외부 모두 가역적인 과정입니다.
전문가들은 실제 과정의 성공을 측정하기 위해 가역적 과정을 기준으로 사용하여 실제 과정을 가역성에 가깝게 만들기 위해 손실을 줄이고 효율성을 높입니다.

비가역성

실제 과정이 가역성 요구사항을 충족하지 못할 때, 해당 과정은 비가역적이라고 합니다.
비가역적 과정에서는 시스템과 주변 환경의 초기 상태를 최종 상태에서 다시 초기 상태로 되돌릴 수 없습니다. 비가역적 과정에서 시스템의 엔트로피는 급격히 증가하며, 최종 값에서 초기 값으로 되돌릴 수 없습니다.
압력, 구성, 온도, 구성의 변화는 열 전달, 고체와 액체의 마찰, 화학 반응 등에 의해 발생합니다. 전문가들은 이러한 비가역성의 영향을 줄이기 위해 노력하고 있습니다.

엔트로피와 엔탈피

내부 에너지와 마찬가지로 엔트로피와 엔탈피는 열역학적 속성입니다. 엔트로피는 기호 s로 표시되며, 엔트로피 변화 Δs는 kJ/kg-K로 표시됩니다. 엔트로피는 혼돈의 상태를 나타냅니다. 엔트로피는 우주의 관점에서 시스템과 주변 환경의 엔트로피 변화를 설명하는 열역학 제2법칙의 주제입니다.
엔트로피는 시스템에서 가역적 열역학 경로를 따른 열 전달과 절대 온도의 비율로 정의됩니다.

여기서, qrev는 가역 경로를 따른 열 전달을 나타냅니다.
엔탈피(h)는 상태의 속성으로, 다음과 같이 정의됩니다.

여기서, h는 특정 엔탈피, u는 특정 내부 에너지, v는 특정 부피, p는 압력을 나타냅니다.
식 (1)로부터

따라서

식 (4)를 미분하고 이를 위의 식에 대입하면

위 두 식은 가역적 과정에서 내부 에너지와 부피의 변화에 따른 엔트로피 변화와 엔탈피 및 압력의 변화에 따른 엔트로피 변화와 관련이 있습니다.
이 두 식의 모든 양은 상태 속성이므로, 엔트로피 또한 열역학적 속성입니다.

열역학 제2법칙

열역학 제2법칙은 우주의 제한을 설명하며, 우주가 무엇을 할 수 있는지에 대해 설명합니다. 제2법칙은 비효율성, 부패, 퇴화와 관련이 있습니다.
우리는 일상 생활에서 본질적으로 비효율적이며 비가역적인 과정을 포함하는 활동을 합니다.
열역학 제2법칙은 엔트로피의 관점에서 더 쉽게 표현할 수 있습니다:
엔트로피는 닫힌 시스템으로 들어온 측정된 열(dqrev)과 열 전달이 이루어진 지점의 공통 온도(T)의 비율로 정의되는 시스템의 엔트로피(dS)의 무한소 변화입니다.

열역학 제2법칙은 "엔트로피 변화는 비음수로 간주된다"고 주장합니다.
또는
우주의 에너지는 점점 더 혼돈 상태로 이동하고 있습니다.

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