일반물리학1-온도, 열, 열역학 1법칙

18장 온도, 열, 열역학 1 법칙

 

1. 온도 

 켈빈 척도 

 절대영도 : 더 이상 내릴 수 없는 온도. 0K 

 

2. 열역학 0법칙

 2-1. 열평형 : 서로 접촉하고 있는 두 물체의 모든 측정가능한 양들(부피 V, 온도 T, 압력 P)이 안정되고 변하지 않는 값을 되었을 때 이 두 물체는 열평형에 있다고 한다. 

 

 2-2. 열역학 2법칙 : 물체 A와 B가 다른 물체 T와 각각 열평형을 이룬다면 A와 B가 다른 물체 T와 각각 열평형을 이룬다면 A와 B도 열평형을 이룬다. -> 두 물체가 열평형을 이룬다. <-> 두 물체의 온도는 같다. 

 

3. 온도의 측정

#물의 삼중점 : 물, 얼음, 수증기가 열평형상태로 공존하는 상태로 특정 온도와 특정 압력에서 유일해서 기준 잡기 좋다.

#온도의 표준고정점 \(T_3\) = 273.16K

#일정부피  기체온도계 : 일정 부피 일 때, 온도와 압력이 비례하는 성질을 이용하여 삼중점에서의 온도와 압력을 이용하여 비율을 통해 압력차를 구해 기체의 온도를 측정한다. 

T =Cp          \(T/p\) = \(T_{3}/p_{3}\)

*이 때 기체의 종류에 따라 결과가 약간씩 다르므로 기체의 양을 줄여가며 수렴값(이상기체온도)를 찾는다.

 

4. 섭씨온도와 화씨온도

1. 섭씨 온도 \(T_c\) 와 켈빈온도 \(T\) :  $T_C=T-273.15$

2.화씨 온도($T_F$)와 섭씨 온도 : 화씨 = (9/5)* 섭씨 +32

 

  섭씨와 켈빈은 한 눈금의 크기가 같지만(합차의 관계이다. )

 화씨와 섭씨는 한 눈금의 크기가 다르다. 그러나 기 비율은 같다. 

ex)

$\frac{T_C-0}{100-0}$ = \(\frac{T_F-32}{212-32}\) 온도의 비율이 같아야 한다. 나타내는 방식의 차이일뿐

5. 열팽창 

5-1. 선팽창 : 길이 L인 막대

5-1-1. 선팽창 계수 α : $ΔL$ = $LαΔT$, α=$\frac{ΔL}{LΔT}$

 

$L'=L+ΔL$

 

      $=L(1+αΔT)$

($L'$ :  나중 길이)

 

#선팽창 시에  팽창 길이는 "원래 길이"와 "비례상수"와 "온도변화량" 에 비례한다. 
#모든 길이가 같은 비율(α)로 늘어난다.

 

5-2. 부피팽창 (고체) *액체와 기체는 뒤에 따로 식으로 정리함

β : $ΔV$ = $VβΔT$, β=$\frac{ΔV}{VΔT}$

 

$V'=V+ΔV$

 

      $=V(1+βΔT)$

($V'$ :  나중 길이)

 #(등방성) 고체의 경우 β=3α

 *등방성 고체의 면적 팽창 $A=A_0[1+(2α)ΔT]$

 

6. 온도와 열

 6-1. 열에너지 $Q$ : 원자나 분자의 제멋대로 운동과 관련된 에너지

*운동에너지로 생각하기에 입자가 너무 많고 불규칙적이라 열에너지 개념으로 본다. 

 

 6-2. 열은 계와 주위의 온도 차이에 따라 계와 주위 사이에 전달되는 에너지이다. 

갖고 있는 에너지가 아닌 주고받는 전달되는 에너지이다.

*열에너지를 갖고 있다. - > 잘못된 표현-> 갖고 있는 에너지는 '내부 에너지'로서 후술한다.

 

6-3. 열의 단위 : cal , J

1 cal = 4.168 J , 1 Cal = 1 kcal +) 대문자-> kcal

 

6-4. 열과 일은 계의 고유한 성질(온도나 압력, 부피) 등 이 아니다. 

열과 일은 계가 갖고 있는 에너지가 아니고 계와 주위 사이에 주고받는 에너지이다.

[열 : 분자운동]

[일 : 힘, 변위 ]

 

7. 고체와 액체의 열흡수

*단위조심

7-1. 열용량 (Heat Capacity)  C  :  1℃ 올리는데 필요한 열에너지. [J/K] or [cal/K]

$Q=CΔT$

질량에 비례 : C = cm

 

7-2. 비열 (Specific Heat)  c   : 단위질량당 열용량. [ J / (kg×K) ] or [ cal / (g×℃) ]

-> 1g 을 또는 1kg 을 1 ℃ 올리는데 필요한 열

$Q=cmΔT$

 

7-3. 몰비열 (Molar specific heat) : 몰당 열용량 또는 1몰을 1℃ 올리는데 필요한 열 [ J / mol * K ]

 

*물체의 비열은 열을 전달하는 조건에[P, V, T] 따라 달라진다. ex) 정압비열, 정적비열

고체나 액체의 비열은 정압비열로 본다. 

 

7-4. 변환열(잠열) (Latent Heat) $L$ : 상변화에 필요한 단위질량당 열.-> 분자 간 연결구조 변화에 열이 쓰인다. 

따라서 이 때의 ΔT는 0이다. 

증발열  $L_V$,  융해열  $L_F$   [cal/g], [J/kg]

$Q = Lm$