열역학 1.2.2-1.2.3
기초 열역학Chapter 01 열역학 기초 › Section 02
1.2.2~1.2.3 상태와 상태량, 과정
상태량은 어떻게 왔는지를 묻지 않고, 과정은 어떻게 왔는지를 기록함. 이 둘을 구분할 줄 알면 앞으로 나올 계산에서 무엇을 상태로 놓고 무엇을 경로로 놓을지 판단할 수 있음.
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1.2.2~1.2.3 상태와 상태량, 과정 · 약 16분
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01상태 — 지금 이 순간의 조건교재 16p
- 상태(State) — 특정 순간에 계가 놓여 있는 물리적 조건의 총칭.
- 여러 값을 한꺼번에 가리키는 말 — 온도·압력·부피 같은 성질을 종합적으로 나타냄.
- 예 — 1atm, 100°C에서 끓고 있는 물. 이 온도와 압력이 물의 상태를 정의하는 요소.
오늘의 날씨처럼
- 날씨를 말할 때 기온 · 습도 · 바람을 함께 이야기함. 그 값들을 모아 놓은 것이 지금의 날씨.
- 계의 상태도 마찬가지 — 온도 · 압력 · 부피를 모아 놓은 것이 지금의 상태.
02상태량 — 어떻게 왔는지 묻지 않는 값교재 16p
- 상태량(State Variable) — 상태를 정의하는 데 사용되는 물리적 양.
- 가장 중요한 특징 — 값이 오직 계의 현재 상태에만 의존.
- 그 상태에 도달하기까지 어떤 길을 거쳐 왔는지는 값에 영향을 주지 않음.
- 가열해서 왔든 압축해서 왔든, 지금 상태가 같다면 값도 같음.
- 대표적인 상태량 — 온도, 압력, 체적, 질량, 내부 에너지, 엔탈피, 엔트로피.
- 열과 일이 상태량이 아닌 이유 — 어떤 길로 왔느냐에 따라 값이 달라지기 때문.
산을 오르는 것과 같음
- 정상의 높이는 정해져 있음.
- 어느 등산로로 올라왔는지, 몇 시간이 걸렸는지는 정상의 높이를 바꾸지 못함.
03강도성 상태량과 종량성 상태량교재 16p~17p
나누는 기준은 하나 — 계의 크기에 값이 따라가는가.
| 구분 | 강도성 상태량 | 종량성 상태량 |
|---|---|---|
| 성질 | 계의 크기·질량과 무관하게 일정 | 계의 크기·질량에 비례해서 변함 |
| 예 | 압력, 온도, 밀도 | 질량(m), 체적(V), 내부 에너지(U), 엔탈피(H) |
| 확인 | 100°C 물을 두 컵에 나눠 담아도 각 컵은 100°C | 200mL 두 컵을 합치면 400mL |
- 구분하는 방법 — “반으로 나누면 값도 반이 되는가?” 반이 되면 종량성, 그대로면 강도성.
04비 상태량 — 물질 자체의 성질교재 17p
- 비 상태량(Specific Property) — 종량성 상태량을 계의 질량(m)으로 나눈 값. 단위 질량당 특성.
- 예
- 비체적(v) = 전체 체적(V) ÷ 질량(m)
- 비 내부 에너지(u) = 내부 에너지(U) ÷ 질량(m)
- 성질이 바뀜 — 종량성을 질량으로 나누면 계의 크기와 무관한 값이 됨. 즉 강도성의 성질을 갖게 됨.
- 그래서 유용함 — 물질 자체의 고유한 특성을 나타내므로, 양을 몰라도 성질을 비교하고 계산할 수 있음. 열역학에서 표를 만들어 쓸 수 있는 이유.
학급의 평균 몸무게처럼
- 학생 전체 몸무게의 합 — 학생 수가 늘면 함께 커짐 → 종량성
- 그 값을 학생 수로 나눈 평균 — 스무 명이든 마흔 명이든 크게 달라지지 않음 → 강도성
- 같은 온도·압력이라면 물의 비체적은 물이 10g이든 100g이든 정확히 같은 값.
05과정 — 상태가 변해 가는 경로교재 18p
- 과정(Process) — 계의 상태가 변화하는 일련의 흐름. 상태량이 변해 가는 경로.
- 상태가 점이라면 과정은 선 — 한 점에서 다른 점으로 이어지는 길.
- 예 — 주사기 끝을 막고 피스톤을 누르면 압력은 올라가고 부피는 줄어듦. 처음 상태에서 나중 상태로 옮겨 간 하나의 과정.
- 선도로 그리는 이유 — P–V 선도(가로축 체적, 세로축 압력)로 그리면 숫자를 나열하는 것보다 훨씬 빨리 읽힘.
- 분류가 필요한 이유 — 같은 지점에서 같은 지점으로 가더라도 어떤 조건에서 갔느냐에 따라 이야기가 달라짐.
06주요 열역학 과정 네 가지교재 18p~19p
앞의 세 가지는 체적·압력·온도 가운데 하나를 고정. 네 번째는 상태량이 아니라 열의 출입 자체를 막은 것.
1정적 과정 Isochoric
- 체적이 일정하게 유지되는 과정.
- 부피가 변하지 않으므로 밖으로 일을 하지 않음.
- 넣어 준 열이 그대로 계 안에 쌓임 → 온도와 압력이 상승.
- 예 : 닫힌 용기 안의 기체를 가열·냉각
2정압 과정 Isobaric
- 압력이 일정하게 유지되는 과정. 체적과 온도는 변할 수 있음.
- 예 : 대기압에서 물을 가열 — 끓는 동안 온도는 100°C에 머물고 액체가 기체로 상변화.
- 뚜껑이 열려 있는 한 압력은 늘 대기압. 주변의 가열은 대부분 정압 과정.
3등온 과정 Isothermal
- 온도가 일정하게 유지되는 과정.
- 팽창해 온도가 내려가려 하면 외부에서 열이 들어와 메워 줌. 압축이면 반대.
- 조건 두 가지 — 온도가 일정한 외부 환경 + 충분한 열교환 시간.
- 예 : 큰 얼음물 통에 담근 주사기를 아주 천천히 당김
4단열 과정 Adiabatic
- 계와 외부 사이에 열의 전달이 전혀 없는 과정 (Q = 0).
- 상태량을 붙잡은 것이 아니므로 압력·체적·온도가 모두 변할 수 있음.
- 일어나는 경우 — ① 단열재로 잘 감싸인 경우 ② 변화가 매우 빠른 경우
- 예 : 자전거 펌프를 빠르게 누르면 뜨거워짐, 디젤 엔진의 급속 압축
- 왜 하나를 고정하는가 — 모든 것이 한꺼번에 변하면 관계를 찾기 어려움. 하나를 붙잡아 두면 나머지 사이의 관계가 눈에 들어옴.
- 단열계와 단열 과정은 다름 — 단열계는 계 자체의 성질, 단열과정은 변화가 일어나는 방식.
07준평형 과정과 비평형 과정교재 20p
변화가 얼마나 빠르게 일어나는지, 그동안 평형이 유지되는지에 따른 구분.
- 준평형 과정 — 상태 변화가 매우 느리게 진행되어 모든 단계에서 평형에 거의 가까움. 계 내부의 압력과 온도가 어디를 재도 균일.
- 비평형 과정 — 변화가 빠르게 진행되어 평형을 유지하지 못함. 상태량이 자리마다 다르게 분포해 중간 상태를 명확히 말하기 어려움.
- 교재의 예 — 피스톤을 아주 천천히 움직여 압축하면 준평형. 갑자기 움직이면 피스톤 근처에 기체 분자가 몰려 그 부분만 압력이 높아짐 → 비평형.
- 이론이 준평형을 가정하는 이유 — 실제 공학에서 일어나는 일은 대부분 비평형이지만, 그대로 계산하면 너무 복잡해 준평형으로 근사함.
욕조에 뜨거운 물을 부으면
- 조금씩 천천히 부으면 매번 고르게 섞일 시간이 있음 → 어디를 재도 온도가 비슷 → “이 물은 몇 도”라고 말할 수 있음.
- 한꺼번에 확 부으면 섞일 시간이 없어 한쪽만 뜨거움 → 온도를 하나로 말하기 어려움.
이 절의 핵심 정리
- 상태는 지금 이 순간의 조건, 상태량은 그것을 나타내는 값 — 어떤 길로 왔는지와 무관
- 크기에 따라 강도성(압력·온도·밀도)과 종량성(질량·체적·U·H)으로 나뉨
- 종량성을 질량으로 나누면 비 상태량 — 물질 자체의 고유한 성질이 됨
- 과정은 상태가 변해 가는 경로 — 정적 · 정압 · 등온 · 단열
- 변화의 속도로는 준평형과 비평형으로 나뉘며, 이론은 대개 준평형을 가정
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다음 절 · 1.2.4~1.2.5 사이클, 작업 유체 교재 21p~23p — 여러 과정이 이어져 제자리로 돌아오는 사이클과, 그 안에서 에너지를 실어 나르는 작업 유체를 살펴봅니다.
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