물리화학 및 실험 레포트, 열역학 제1법칙, 엔탈피왿� 열역학 제2법칙, 엔트로피에 대한 이해

1.1. 줄(Joule)의 실험장치

1845년, 영국의 물리학자 줄이 외부의 일과 열량과의 관계를 측정을 통해 얻을 수 있도록 고안한 실험 장치이다. 가운데 물을 채워놓은 수조 속에서 자유롭게 회전할 수 있는 프로펠러를 넣어둔 뒤 외부의 움직임에 의해 프로펠러가 돌아갈 수 있게 만들었다. 수조에 도르래왿� 추를 연결하여 중력에 의해 추가 아래로 떨어지면, 프로펠러가 돌아가면서 물을 휘저을 수 있다. 추가 더 높은 곳에서 더 많이 내려갈수록 프로펠러는 더 많이 회전하여 물을 휘저어놓게 되고, 이는 마찰열로 발생하여 물을 데워 물의 온도를 증가시킨다. 이때 물의 온도변화는 물이 얻은 열량이 되며 이것은 추의 운동력과 비례한다. 물체의 마찰로 발생한 열량은 추가 낙하하면서 한 일의 양에 정확히 비례한다. 이 실험을 통해 힘은 전환될 때 사라지거나 생기는 것이 아니라 100% 전환만 일어난다는 사실을 알 수 있다. 이는 오늘날 에너지 보존 법칙으로 알려진다.

1.2. 열역학 제 1법칙

열역학 제1법칙 (에너지 보존의 법칙) : 어떤 계의 내부 에너지의 증가량은 계에 더해진 열에너지에서 계가 외부에 해준 일을 뺀 양과 같다.

열역학 제1법칙을 수식으로 나타내면 다음과 같다.

TRIANGLE U=q+w#
```````````````=q-p TRIANGLE V#
BECAUSE w=F TIMES d=-P TIMES A TIMES d=-P TRIANGLE V#
#
ATT P= {F} over {A}

U: 기체의 내부에너지 변화량
q: 기체가 외부로부터 받은 열량
w: 피스톤이 기체에 한 일
p:피스톤에 가해진 압력
V: 부피

F: 힘(Force)
d: 거리(distance)
A: 면적

위 그림은 기체가 외부의 열에 의해 피스톤을 밀어내는 팽창의 일을 표현한 것이다. 에너지는 소실되거나 생성되지 않으므로 기체의 내부에너지 변화량은 외부로부터 받은 열량과 피스톤이 기체에 한 일의 합이 된다.