열역학

열역학
고전적인 카르노 히트 엔진
나뭇가지 고전적인 통계 화학의 양자 열역학 평형/비평형
법률 제로스 첫번째 둘째 셋째
시스템들 폐쇄형 시스템 오픈 시스템 격리 시스템 주 상태 방정식 이상 기체 실가스 상황 위상(매터) 평형 볼륨 제어 인스트루먼트 과정 이소바릭 아이소코리 등온 단열성 등엔트로픽 이센탈픽 준정전성 폴리트로픽 자유 확장 가역성 불가역성 내복원성 사이클 히트 엔진 히트 펌프 열효율
시스템 속성 주의: 이탤릭체로 표시된 켤레 변수 속성도 집약적이고 광범위한 속성 프로세스 기능 일하다. 열 국가 기능 온도/엔트로피(개요) 압력/볼륨 화학 퍼텐셜/입자수 증기 품질 속성 감소
재료 특성 속성 데이터베이스 비열 용량 ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ $\displaystyle \partial S\$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle\partial T}$ 압축성 $\displaystyle \displays =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ $(\displaystyle\displayp)$ 열팽창 $\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle\partial T}$
방정식 카르노의 정리 클라우시우스 정리 기본 관계 이상기체의 법칙 맥스웰 관계 온사저 호혜 관계 브리지만 방정식 열역학 방정식 표
가능성 자유 에너지 자유 엔트로피 내부 에너지 ${\displaystyle U(S,V)}$ 엔탈피 ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ 헬름홀츠 자유 에너지 ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ 깁스 자유 에너지 ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
역사 문화 역사 일반 엔트로피 가스 법칙 "영구 운동" 기계 철학 엔트로피와 시간 엔트로피와 생명 브라운 래칫 맥스웰의 악마 열사 역설 로슈미트의 역설 시너제틱스 이론들 열량론 Vis viva ('생체력') 열의 기계적 등가 동력 주요 출판물 실험적인 질문 ~에 대해서열 균형에 대하여 이종 물질 의 리플렉션 불의 원동력 타임라인 열역학 히트 엔진 예체능 교육 맥스웰의 열역학 표면 에너지 분산으로서의 엔트로피
과학자 베르누이 볼츠만 브리지만 카라테오도리 카르노 클라피론 클라우시우스 돈더 듀헴 깁스 폰 헬름홀츠 줄 루이스 마시외 맥스웰 폰 메이어 네른스트 온사게 플랑크 랭킨 스미톤 스틸 태트 톰슨 톰슨 판 데르 발스 워터스톤
다른. 핵생성 자가 조립 자기 조직화 질서와 무질서
카테고리
v t

열역학은 열, 일, 온도, 에너지, 엔트로피, 물질과 방사선의 물리적 특성과 관련된 물리학의 한 분야이다.이러한 양의 동작은 측정 가능한 거시적 물리량을 사용하여 정량적 설명을 전달하는 열역학의 네 가지 법칙에 의해 지배되지만, 통계역학에 의해 미시적 구성요소의 관점에서 설명될 수 있다.열역학은 과학과 공학, 특히 물리 화학, 생화학, 화학 공학 및 기계 공학에서 다양한 주제에 적용되지만 기상학과 같은 다른 복잡한 분야에도 적용됩니다.

역사적으로 열역학은 초기 증기 엔진의 효율을 높이고자 하는 바람에서 발전했는데, 특히 프랑스의 물리학자 사디 카르노(1824)의 연구를 통해 발전했는데, 그는 엔진 효율이 나폴레옹 전쟁에서 ^[1]프랑스가 승리하는 데 도움을 줄 수 있다고 믿었다.스코틀랜드계 아일랜드인 물리학자 켈빈 경은 1854년에^[2] 열역학에 대한 간결한 정의를 처음으로 공식화했다. "열역학은 신체의 인접한 부분 사이에 작용하는 힘에 대한 열의 관계, 그리고 전기 기관과 열의 관계에 대한 주제이다."루돌프 클라우시우스는 카르노 순환으로 알려진 카르노의 원리를 다시 기술했고, 그래서 열에 대한 이론을 더 진실하고 견실한 근거를 제공했습니다.1850년에 출판된 그의 가장 중요한 논문인 "열기의 움직이는 힘에 대하여"^[3]는 열역학 제2법칙을 처음으로 언급하였다.1865년에 그는 엔트로피의 개념을 도입했다.1870년에 그는 ^[4]열에 적용되는 바이럴 정리를 도입했다.

열역학이 기계식 열엔진에 처음 적용된 것은 화학 화합물 및 화학 반응 연구로 빠르게 확장되었습니다.화학 열역학은 화학 반응 과정에서 엔트로피의 역할을 연구하여 그 ^{[5][6][7][8][9][10][11][12][13]}분야의 확장과 지식을 제공해 왔습니다.열역학의 다른 공식들이 나타났다.통계 열역학 또는 통계역학은 미시적 행동으로부터 입자의 집단 운동에 대한 통계적 예측과 관련이 있다.1909년, 콘스탄틴 카라테오도리는 종종 기하학적 열역학으로 언급되는 자명한 공식으로 순수하게 수학적 접근법을 제시했습니다.

서론

열역학 시스템에 대한 설명은 자명한 근거를 형성하는 열역학 4가지 법칙을 사용합니다.첫 번째 법칙은 에너지가 열, 일, 물질의 ^[14]전달과 함께 물리적 시스템 간에 전달될 수 있다는 것을 명시하고 있습니다.두 번째 법칙은 엔트로피라고 불리는 양의 존재를 정의합니다. 엔트로피는 열역학적으로 시스템이 진화하고 시스템의 질서 상태를 수량화할 수 있으며 시스템에서 ^[15]추출할 수 있는 유용한 작업을 정량화하는 데 사용될 수 있는 방향을 기술합니다.

열역학에서는 큰 물체 앙상블 간의 상호작용이 연구되고 분류된다.이것의 중심에는 열역학 체계와 그 주변 환경의 개념이 있다.시스템은 평균 운동이 그 특성을 정의하는 입자로 구성되며, 이들 특성은 상태 방정식을 통해 서로 관련지어진다.특성은 내부 에너지 및 열역학 전위를 표현하기 위해 결합될 수 있으며, 이는 평형 및 자발적 과정의 조건을 결정하는 데 유용합니다.

이러한 도구를 사용하여 열역학을 사용하여 시스템이 환경의 변화에 어떻게 반응하는지를 설명할 수 있습니다.이것은 엔진, 위상 천이, 화학 반응, 수송 현상, 그리고 심지어 블랙홀과 같은 과학과 공학 분야의 다양한 주제에 적용될 수 있습니다.열역학의 결과는 ^[16][17]물리학의 다른 분야와 화학, 화학 공학, 부식 공학, 항공 우주 공학, 기계 공학, 세포 생물학, 생물의학 공학, 재료 과학, 그리고 경제학을 예로 들자면 필수적이다.

이 기사는 주로 열역학적 평형에 있는 시스템을 연구하는 고전적 열역학에 초점을 맞추고 있다.비균형 열역학은 종종 고전적 처리의 연장선상에서 다루어지지만 통계역학은 그 분야에 많은 발전을 가져왔다.

역사

과학 분야로서의 열역학 역사는 일반적으로 1650년에 세계 최초의 진공 펌프를 만들고 설계하고 마그데부르크 반구를 사용하여 진공 펌프를 시연했던 오토 폰 게리케로부터 시작된다.게릭케는 '자연은 진공을 혐오한다'는 아리스토텔레스의 오랜 가설에 반증하기 위해 진공을 만들게 되었다.게릭케 직후, 영국-아일랜드 물리학자이자 화학자인 로버트 보일은 게릭케의 디자인을 알게 되었고 1656년 영국 과학자 로버트 후크와 협력하여 공기 ^[19]펌프를 만들었다.이 펌프를 사용하여, Boyle과 Hooke는 압력, 온도, 그리고 부피 사이의 상관관계를 알아챘다.이윽고 보일의 법칙은 압력과 부피가 반비례한다는 것을 공식화했다.그리고 나서, 1679년, 이러한 개념에 기초하여, 보일의 동료인 데니스 파핀은 고압이 발생할 때까지 증기를 가두는 꼭 맞는 뚜껑이 있는 밀폐된 용기인 증기 굴착기를 만들었다.

이후 설계에서는 기계가 폭발하는 것을 막아주는 증기 방출 밸브를 구현했습니다.밸브가 리드미컬하게 위아래로 움직이는 것을 보면서 파핀은 피스톤과 실린더 엔진의 아이디어를 생각해냈다.그러나 그는 그의 디자인을 끝까지 하지 않았다.그럼에도 불구하고, 1697년 파핀의 디자인에 기초하여, 기술자 토마스 세이버리가 최초의 엔진을 만들었고, 1712년 토마스 뉴코멘이 그 뒤를 이었다.비록 이러한 초기 엔진은 조잡하고 비효율적이었지만, 그들은 당대의 선도적인 과학자들의 관심을 끌었다.

열역학 발전에 필요한 열 용량과 잠열의 기본 개념은 제임스 와트가 계측기 제조사로 고용된 글래스고 대학의 조셉 블랙 교수가 개발했습니다.블랙과 와트는 함께 실험을 수행했지만, 증기 엔진 효율의 ^[20]큰 증가를 가져온 것은 외부 콘덴서의 아이디어를 생각해 낸 와트였다.열역학의 아버지인 사디 카르노(Sadi Carnot)는 열, 동력, 에너지 및 엔진 효율에 대한 담론인 불의 원동력에 대한 성찰(1824년)을 출판했다.이 책은 카르노 엔진, 카르노 사이클, 동력 동력 사이의 기본적인 에너지 관계를 개략적으로 설명했다.그것은 현대 ^[12]과학으로서 열역학의 시작을 알렸다.

최초의 열역학 교과서는 원래 물리학자이자 ^[21]글래스고 대학의 토목 및 기계 공학 교수로 훈련받은 윌리엄 랭킨에 의해 1859년에 쓰여졌다.열역학 제1법칙과 제2법칙은 1850년대에 동시에 나타났는데, 주로 윌리엄 랭킨, 루돌프 클라우시우스, 그리고 윌리엄 톰슨 (켈빈 경)의 작품에서 비롯되었다.통계 열역학의 기초는 제임스 클러크 맥스웰, 루드비히 볼츠만, 막스 플랑크, 루돌프 클라우시우스, 그리고 윌러드 깁스와 같은 물리학자들에 의해 세워졌다.

는 동안 1873–76 미국 수학 물리학자 조사 이어 윌러드 기브스 화학 반응 등, 그는 어떻게 열역학적 과정을 보였다 세 신문사, 가장 유명한 그 균형 Heterogeneous Substances,[5]일,, 일련의 그래픽, 에너지, 엔트로피, 볼륨, temperatu를 공부한 것으로 분석할 수 있을 발표했다.레열역학적 시스템의 압력과 같은 방식으로 프로세스가 자발적으로 ^[22]발생하는지 여부를 판단할 수 있습니다.또한 19세기의 피에르 뒤엠은 화학 ^[6]열역학에 대해 썼다.20세기 초반에는 길버트 N과 같은 화학자들이 있었다. 루이스, 멀 ^[7]랜달, E. A. 구겐하임은^[8][9] 깁스의 수학적 방법을 화학 작용 분석에 적용했다.

어원학

열역학의 어원은 복잡한 ^[23]역사를 가지고 있다.그것은 처음에 형용사(thermo-dynamic)로 하이픈으로 표기되었고 1854년부터 1868년까지 일반 ^[23]열기관의 과학을 나타내는 명사 열역학으로 표기되었다.

미국의 생물물리학자인 도널드 헤이니는 열역학이 1840년에 "열"을 뜻하는 그리스 어근 μtherme와 "^[24]힘"을 뜻하는 δαμtherme dynamis에서 생겨났다고 주장한다.

피에르 페로는 열역학이라는 용어는 1858년 James Joule에 의해 열과 ^[12]힘의 관계 과학을 지정하기 위해 만들어졌다고 주장하지만, Joule은 그 용어를 사용한 적이 없고, 대신 ^[23]톰슨의 1849년 용어를^[25] 참조하여 완벽한 열역학 엔진이라는 용어를 사용했다.

1858년까지, 기능적인 용어로서 열역학이 윌리엄 톰슨의 논문 "열기의 ^[25]원동력 이론의 설명"에 사용되었습니다.

열역학 분야

열역학적 시스템에 대한 연구는 여러 가지 관련 분야로 발전했으며, 각각 다른 기본 모델을 이론 또는 실험 기준으로 사용하거나 다양한 유형의 시스템에 원칙을 적용했다.

고전 열역학

고전적인 열역학이란 거시적이고 측정 가능한 특성을 사용하는 거의 평형에 가까운 열역학 시스템의 상태를 기술하는 것입니다.열역학 법칙에 따라 에너지, 작업 및 열의 교환을 모델링하는 데 사용됩니다.고전이라는 수식어는 19세기에 발전한 주제에 대한 이해의 첫 번째 수준을 나타내며 거시적 경험적(대규모, 측정 가능한) 매개변수의 관점에서 시스템의 변화를 기술한다는 사실을 반영한다.이러한 개념에 대한 미시적 해석은 나중에 통계 역학의 개발에 의해 제공되었다.

통계역학

통계 열역학으로도 알려진 통계 역학은 19세기 후반과 20세기 초에 원자 및 분자 이론의 발전과 함께 등장했고, 개별 입자 또는 양자 기계 상태 사이의 미세한 상호작용의 해석으로 고전 열역학을 보완했다.이 분야는 개별 원자와 분자의 미시적 특성을 인간 규모로 관찰할 수 있는 물질의 거시적, 부피적 특성과 관련지어 미시적 수준에서 통계, 고전 역학, 양자 이론의 자연스러운 결과로서 고전 열역학을 설명한다.

화학 열역학

화학 열역학은 열역학 법칙의 범위 내에서 에너지와 화학 반응 또는 물리적 상태 변화와의 상호 관계에 대한 연구입니다.화학 열역학의 주요 목적은 주어진 ^[26]변환의 자발성을 결정하는 것입니다.

평형 열역학

평형 열역학은 주변의 기관들에 의해 열역학적 평형 상태에서 다른 상태로 움직일 수 있는 시스템이나 신체에서 물질과 에너지의 전달에 대한 연구이다.'열역학적 평형'이라는 용어는 모든 거시적 흐름이 0인 균형 상태를 나타낸다. 가장 단순한 시스템이나 물체의 경우, 그 집중적인 특성은 균질하고 압력은 경계에 수직이다.평형 상태에서는 시스템의 거시적으로 구별되는 부분 사이에 불균형한 잠재력 또는 추진력이 없습니다.평형 열역학에서 중심적인 목표는 잘 정의된 초기 평형 상태에 있는 시스템, 그 주변 환경 및 구성 벽이 주어진 경우, 특정 열역학 연산이 벽 또는 주변을 바꾼 후 시스템의 최종 평형 상태가 될 것을 계산하는 것이다.

비균형 열역학

비균형 열역학은 열역학적 평형에 있지 않은 시스템을 다루는 열역학 분야이다.자연계에서 발견되는 대부분의 시스템은 정지 상태에 있지 않기 때문에 열역학적 평형에 있지 않으며, 다른 시스템과의 사이에서 물질과 에너지의 연속적이고 불연속적으로 영향을 받습니다.비균형 시스템의 열역학적 연구는 평형 ^[27]열역학에서 다루는 것보다 더 일반적인 개념을 필요로 한다.오늘날 많은 자연계는 여전히 현재 알려진 거시적 열역학 방법의 범위를 벗어난다.

열역학의 법칙

열역학은 기본적으로 각각이 암시하는 제약 조건 내의 시스템에 적용될 때 보편적으로 유효한 네 가지 법칙 세트를 기반으로 합니다.열역학에 대한 다양한 이론적 설명에서 이러한 법칙들은 겉으로 보기에 다른 형태로 표현될 수 있지만, 가장 두드러진 공식은 다음과 같습니다.

제0법칙

열역학 제0법칙은 다음과 같습니다.만약 두 개의 시스템이 각각 세 번째와 열평형 상태에 있다면, 그들은 또한 서로 열평형 상태에 있습니다.

이 진술은 열평형이 고려 중인 열역학 시스템 집합의 등가 관계임을 암시한다.시스템은 시스템 간의 작은 무작위 교환(예: 브라운 운동)이 에너지 순변화로 이어지지 않는 경우 평형 상태에 있다고 한다.이 법칙은 모든 온도 측정에서 암묵적으로 가정된다.따라서 두 물체가 같은 온도에 있는지 여부를 판단하기 위해 접촉하고 관측 가능한 성질의 변화를 ^[28]시간에 따라 측정할 필요가 없다.이 법칙은 온도에 대한 경험적 정의와 실용적인 온도계의 건설에 대한 정당성을 제공한다.

제0법칙은 열역학적 평형에서의 기초가 다른 법칙에 내포되어 있기 때문에 처음에는 열역학의 별개의 법칙으로 인식되지 않았다.제1법칙, 제2법칙, 제3법칙은 이미 명확하게 언급되었고, 온도의 정의에 대한 제0법칙의 중요성이 실현되기 전에 물리학계에서 공통적으로 받아들여졌다.다른 법들의 번호를 다시 매기는 것은 비현실적이었기 때문에, 그것은 제0법이라고 명명되었다.

제1법칙

열역학 제1법칙은 다음과 같습니다.물질이 전달되지 않는 과정에서는 열역학계의 내부 에너지 ${\displaystyle \mathrm{변화량}}$인 ${\$ U($디스플레이$스타일 \$Delta$U)는 열로 얻은 에너지 Q($디스플레이 스타일$Q$)$에서 열역학 작업량 W$(디스플레이 스타일$W$)$를 ^{[29][nb 1]}뺀 값과 동일합니다.

${\displaystyle \delta }$ ${\displaystyle U=}$ ${\displaystyle Q}$- W \$displaystyle$ \ $Delta$ U = $Q$-$$W } 。

여기서 ${\displaystyle \delta }$U(\$displaystyle$ \$Delta$ U$)$는 닫힌 시스템의 내부 에너지 변화(열 또는 시스템 경계를 통한 작업은 가능하지만 물질 전달은 불가능), $(\displaystyle$ Q$)$는 시스템에 공급되는$$ 에너지량을 열로 $나타내며{\displaystyle }$ W$(\displaystyle$ W$)$는 열로 나타냅니다.열역학적 작업의 대부분을 차지합니다.첫 번째 유형의 영구 운동 기계는 불가능합니다. 주변 시스템에 의해 수행된 $작업{\displaystyle }$W(\$displaystyle$ W$)$는 시스템의 $내부{\displaystyle }$ 에너지$$U(\$displaystyle$ U$)$를 감소시키거나 소비해야 합니다. 따라서 이 작업으로 손실된 내부 에너지의 양은 열 Q$($$heat{\displaystyle }$ Q)로 재공급되어야 합니다.\$displaystyle$ Q$}$는 외부 에너지원에 의해 또는 시스템에 작용하는 외부 기계에 의해 작동(U$\displaystyle$U가$$ $복구$되도록)되어 시스템이 지속적으로 작동하도록 합니다$.$

물질의 이전을 포함하는 프로세스의 경우, 다음과 같은 추가 진술이 필요합니다.시스템의 각 기준 상태를 적절히 고려하여, 서로 다른 화학 조성의 두 시스템이 처음에는 불투수벽으로만 분리되고, 그렇지 않으면 격리된 경우 벽의 열역학적 작동에 의해 새로운 시스템으로 결합됩니다.

${\displaystyle {U\mathrm{}}_{}}$ 0 $=$ ${\displaystyle {U\mathrm{}}_{}}$1 + ${\displaystyle {U\mathrm{}}_{}}$2 ({$displaystyle U_{0$}=$U_{1}+U_{2$

어디에 U₀ 는 복합 시스템의 내부 에너지를 나타냅니다. U₁ 그리고. U₂ 분리된 각 시스템의 내부 에너지를 나타냅니다.

열역학에 적응된 이 법칙은 에너지가 변형될 수 있지만 생성되거나 ^[30]파괴될 수 없다는 에너지 보존 원리를 표현한 것입니다.

내부 에너지는 열역학 상태의 주요 특성인 반면, 열과 일은 프로세스가 이 상태를 바꿀 수 있는 에너지 전달 모드입니다.시스템의 내부 에너지 변화는 추가 또는 제거된 열과 시스템에서 또는 시스템에 의해 수행되는 작업의 조합에 의해 달성될 수 있다.상태의 함수로서 내부 에너지는 시스템이 상태에 도달한 방법이나 중간 단계를 통과하는 경로에 의존하지 않습니다.

제2법칙

열역학 제2법칙의 전통적인 버전은 다음과 같습니다.열은 자연적으로 차가운 몸에서 뜨거운 몸으로 흐르지 않는다.

두 번째 법칙은 처음에는 온도, 압력, 화학적 잠재력 및 기타 강도 높은 특성이 불균일한 물질과 방사선 시스템을 가리키며, 이는 내부의 '제약' 또는 투과할 수 없는 단단한 벽 또는 외부에서 가해지는 힘에 기인한다.이 법칙은 시스템이 외부 세계와 그러한 힘으로부터 격리될 때, 그 엔트로피라는 일정한 열역학적 양이 존재하며, 이는 제약이 제거됨에 따라 증가하며, 결국 열역학적 평형에서 불균일성이 실질적으로 사라질 때 최대값에 도달한다는 것을 관찰한다.열역학적 평형에서 초기에 멀리 떨어져 있는 시스템의 경우, 여러 가지가 제안되었지만, 열역학적 평형에 대한 접근 속도를 결정하는 일반적인 물리적 원리는 알려져 있지 않으며, 열역학은 이러한 속도를 다루지 않는다.제2법칙의 많은 버전은 모두 열역학적 균형에 대한 그러한 접근법의 불가역성을 표현한다.

거시적 열역학에서, 제2법칙은 실제 열역학 과정에 적용되는 기본적인 관찰입니다. 통계 열역학에서 제2법칙은 분자 혼돈의 결과로 가정됩니다.

제3법칙

열역학 제3법칙은 다음과 같습니다.시스템의 온도가 절대 0에 가까워지면 모든 프로세스가 중지되고 시스템의 엔트로피가 최소값에 도달합니다.

이 열역학의 법칙은 엔트로피와 절대 0도에 도달하는 것의 불가능에 관한 통계적 자연의 법칙이다.이 법칙은 엔트로피를 결정하기 위한 절대 기준점을 제공한다.이 점에 대해 결정된 엔트로피가 절대 엔트로피입니다.대체 정의로는 "모든 시스템 및 시스템의 모든 상태의 엔트로피가 절대 0에서 가장 작다" 또는 "유한 수의 프로세스로 절대 0에 도달하는 것은 불가능하다"가 있다.

가능한 경우 모든 활동이 정지되는 절대 0은 -273.15°C(섭씨), -459.67°F(화씨), 0K(켈빈), 0°R(랭킨도)이다.

시스템 모델

열역학에서 중요한 개념은 연구 중인 우주의 정확히 정의된 영역인 열역학 시스템입니다.이 시스템을 제외한 우주의 모든 것을 주변이라고 부릅니다.시스템은 물리적 또는 개념적 경계에 의해 우주의 나머지 부분으로부터 분리되지만, 이 경계는 시스템을 한정된 부피로 제한한다.경계의 세그먼트는 종종 벽으로 설명되며, 각각 정의된 '투과성'이 있습니다.에너지 전달은 각각의 투과율에 따라 시스템과 주변 환경 사이에서 일, 열 또는 물질로서 벽을 통해 이루어집니다.

시스템의 내부 에너지 변화를 일으키기 위해 경계를 통과하는 물질 또는 에너지는 에너지 균형 방정식에서 설명되어야 합니다.벽이 포함하는 부피는 1900년에 정의된 Max Planck와 같은 단일 원자 공명 에너지를 둘러싼 영역일 수 있습니다; 이것은 1824년에 정의된 Sadi Carnot과 같은 증기 엔진 내의 증기 또는 공기의 본체일 수 있습니다.이 시스템은 양자 열역학에서 가설화된 하나의 핵종(즉, 쿼크 시스템)일 수도 있습니다.좀 더 느슨한 관점을 채택하고 열역학 평형의 요건이 떨어지면, 이 시스템은 1986년 대기 열역학 분야에서 이론화된 케리 이매뉴얼과 같은 열대 저기압의 몸체가 될 수도 있고 블랙홀의 사건 지평선이 될 수도 있다.

경계는 고정형, 이동형, 실재형 및 상상의 4가지 유형으로 구성됩니다.예를 들어 엔진에서 고정 경계는 피스톤이 일정한 체적 프로세스가 발생할 수 있는 위치에 잠긴 것을 의미합니다.피스톤이 이동할 수 있는 경우 실린더 및 실린더 헤드 경계가 고정된 동안 해당 경계가 이동할 수 있습니다.닫힌 시스템의 경우 경계가 실재하는 반면 열린 시스템의 경우 경계가 허구인 경우가 많습니다.제트 엔진의 경우, 엔진 흡입구에 고정된 가상 경계, 케이스 표면을 따라 고정된 경계 및 배기 노즐을 가로지르는 두 번째 고정된 가상 경계를 가정할 수 있다.

일반적으로 열역학은 경계를 넘을 수 있는 세 가지 종류의 시스템을 구분합니다.

열역학계의 상호작용

시스템의 종류	질량 흐름	일하다.	열
열다.	Y	Y	Y
닫힘	N	Y	Y
열적으로 절연됨	N	Y	N
기계적으로 격리됨	N	N	Y
격리되어 있다	N	N	N

고립된 시스템에서 시간이 경과함에 따라 압력, 밀도 및 온도의 내부 차이가 균등해지는 경향이 있습니다.모든 균등화 과정이 완료된 시스템은 열역학적 평형 상태에 있다고 한다.

일단 열역학적 평형에 빠지면, 정의상, 시스템의 특성은 시간에 따라 변하지 않습니다.평형 상태에 있는 시스템은 평형 상태에 있지 않은 시스템보다 훨씬 간단하고 이해하기 쉽다.종종 동적 열역학 과정을 분석할 때, 프로세스의 각 중간 상태가 평형 상태에 있다고 단순화된 가정이 이루어지며, 각 중간 단계가 평형 상태가 될 수 있을 정도로 느리게 발전하는 열역학 과정을 생성하며, 가역적 과정이라고 한다.

상태와 프로세스

어떤 시스템이 주어진 조건 하에서 평형 상태에 있을 때, 그것은 확실한 열역학 상태에 있다고 한다.시스템 상태는 시스템이 상태에 도달한 프로세스에 의존하지 않는 많은 상태 양으로 설명할 수 있습니다.이러한 변수를 시스템의 크기가 변경되면 어떻게 변하는지 여부에 따라 집중 변수 또는 확장 변수라고 합니다.시스템의 속성은 이들 변수 간의 관계를 지정하는 상태 방정식으로 설명할 수 있습니다.상태는 변수 수가 일정하게 유지되는 시스템의 즉각적인 정량적 설명으로 간주될 수 있다.

열역학 프로세스는 초기 상태에서 최종 상태로 진행되는 열역학 시스템의 에너지 진화로 정의될 수 있다.프로세스 수량으로 설명할 수 있습니다.일반적으로 각 열역학적 프로세스는 온도, 압력, 부피 등 고정된 파라미터에 따라 에너지 특성의 다른 프로세스와 구별됩니다.또한 이들 프로세스를 쌍으로 그룹화하는 것이 유용합니다.이 경우 각 변수가 일정하게 유지되는 것은 켤레 쌍의 구성원 중 하나입니다.

일반적으로 연구되는 열역학 프로세스는 다음과 같습니다.

• 단열 프로세스: 열에 의한 에너지 손실이나 이득 없이 발생
• Isenthalpic 과정: 일정한 엔탈피에서 발생합니다.
• 등엔트로픽 과정: 일정한 엔트로피에서 발생하는 가역 단열 과정
• 등압 프로세스: 일정한 압력에서 발생합니다.
• 등화성 프로세스: 일정한 부피에서 발생(등화성/등화성 측정이라고도 함)
• 등온 프로세스: 일정한 온도에서 발생합니다.
• 정상 상태 프로세스: 내부 에너지 변화 없이 발생

인스트루먼트

열역학 기기에는 미터기와 탱크라는 두 가지 유형이 있습니다.열역학적 미터는 열역학적 시스템의 모든 매개변수를 측정하는 장치입니다.열역학 파라미터는 실제로 이상적인 측정기기로 정의되는 경우도 있습니다.예를 들어, 제0법칙은 두 물체가 제3의 물체와 열평형 상태에 있으면 서로 열평형 상태에 있다고 기술한다.1872년 제임스 맥스웰이 지적한 이 원리는 온도를 측정하는 것이 가능하다고 단언한다.이상 온도계는 일정한 압력에서 이상 기체의 샘플입니다.이상 가스 법칙 pV=nRT에서 이러한 시료의 부피는 온도 지표로 사용할 수 있으며, 이렇게 온도를 정의할 수 있습니다.압력은 기계적으로 정의되지만, 기압계라고 불리는 압력 측정 장치는 일정한 온도로 유지되는 이상적인 기체의 표본으로 구성될 수도 있습니다.열량계는 시스템의 내부 에너지를 측정하고 정의하는 데 사용되는 장치입니다.

열역학적 저장소는 너무 커서 대상 시스템과 접촉해도 상태 매개변수가 현저하게 변경되지 않는 시스템입니다.탱크가 시스템과 접촉하면 시스템이 탱크와 평형을 이루게 됩니다.예를 들어 압력 저장고는 특정 압력의 시스템으로, 기계적으로 연결된 시스템에 압력을 가합니다.지구의 대기는 종종 압력 저장고로 사용된다.바다는 발전소를 냉각시키는 데 사용될 때 온도 저장고 역할을 할 수 있다.

켤레 변수

열역학의 중심 개념은 에너지, 즉 일을 할 수 있는 능력입니다.제1법칙에 따르면 시스템과 그 주변의 총 에너지는 보존된다.에너지는 물질의 가열, 압축 또는 첨가에 의해 시스템에 전달될 수 있으며, 물질의 냉각, 팽창 또는 추출에 의해 시스템에서 추출될 수 있습니다.예를 들어 역학에서 에너지 전달은 물체에 가해지는 힘과 그에 따른 변위의 곱과 같다.

켤레 변수는 열역학 개념의 쌍으로, 첫 번째 변수는 열역학 시스템에 적용되는 힘과 유사하며, 두 번째 변수는 결과적인 "변위"와 유사하며, 두 개의 곱은 전달되는 에너지의 양과 같습니다.일반적인 켤레 변수는 다음과 같습니다.

• 압력-부피(기계적 매개변수);
• 온도 엔트로피(열 매개 변수);
• 화학 전위 입자 번호(물질 매개 변수).

가능성

열역학 퍼텐셜은 시스템에 저장된 에너지의 다른 정량적 측정값입니다.전위는 초기 상태에서 최종 상태로 진화하는 시스템의 에너지 변화를 측정하는 데 사용됩니다.사용되는 전위는 일정한 온도 또는 압력과 같은 시스템의 제약 조건에 따라 달라집니다.예를 들어 헬름홀츠와 깁스 에너지는 각각 온도와 부피 또는 압력과 온도가 고정되어 있을 때 유용한 작업을 수행하기 위해 시스템에서 사용할 수 있는 에너지입니다.

가장 잘 알려진 5가지 잠재력은 다음과 같습니다.

이름.	기호.	공식	자연 변수
내부 에너지	${\displaystyle U}$	$\displaystyle \int \left(T,dS-p,dV+\sum _{i}\mu _{i}dN_{i}\right)}$	${\displaystyle S,V,\{N_{i}\}}$
헬름홀츠 자유 에너지	${\displaystyle F}$	${\displaystyle U-TS}$	${\displaystyle T,V,\{N_{i}\}}$
엔탈피	$(\displaystyle H)$	${\displaystyle U+pV}$	${\displaystyle S,p,\{N_{i}\}}$
깁스 자유 에너지	${\displaystyle G}$	${\displaystyle U+pV-TS}$	${\displaystyle T,p,\{N_{i}\}}$
란다우 잠재력 또는 대잠재력	$ω${ $displaystyle$ \$$Omega$$} ,$$ $G${ \ $displaystyle$\ $Phi$_ { \ text }$G}}}$	${\displaystyle U-TS-}$${\displaystyle \sum _{i},}$${\displaystyle\mu_{i}N_{i}}$	${\displaystyle T,V,\{\mu _{i}\}}$

$여기$서 T$(\displaystyle$ T$)$는 온도, S$(\displaystyle$ S$)$는 엔트로피, p$(\displaystyle$ p$)$는$$압력, V(\displaystyle $)$ 볼륨, μ(\displaystyle $V)$는 $화학적{\displaystyle }$잠재력, N(\$displaystyle$ N$)$은 $시스템$의 입자 수, i(\$displaystyle$ I$)$는 파의 카운트입니다.ticles 타입을 지정합니다.

열역학 퍼텐셜은 열역학 시스템에 적용되는 에너지 균형 방정식에서 도출할 수 있습니다.다른 열역학 전위도 Legendre 변환을 통해 얻을 수 있습니다.

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메모들

레퍼런스

추가 정보

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다음 제목은 보다 기술적인 것입니다.

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외부 링크

• Wikimedia Commons의 열역학 관련 미디어

• Callendar, Hugh Longbourne (1911). "Thermodynamics" . Encyclopædia Britannica. Vol. 26 (11th ed.). pp. 808–814.
• 열역학 데이터 및 속성 계산 웹 사이트
• 열역학 교육용 웹사이트
• 생화학 열역학
• 열역학 및 통계역학
• 엔지니어링용 열역학– 그래픽 접근법
• 리처드 피츠패트릭의 열역학 및 통계역학