질문 요약
왜 등적, 등압, 등온 과정에서 내부에너지, 열, 기체가 한 일이 모두 같은 부호를 가지는지 이해가 되지 않습니다.
답변 요약
열역학 1법칙에서 열을 흡수하는 경우, 내부에너지의 변화량과 기체가 한 일의 합은 양수여야 합니다. 이는 온도가 상승할 때 부피가 증가해서 작용한 일과 내부에너지의 변화량이 양수가 되기 때문입니다. 그러나 내부에너지가 감소하면서 부피도 감소하게 되면 작용한 일이 음수가 되므로 1법칙에 위배됩니다. 따라서, 내부와 외부 기체만 있는 경우에는 내부에너지가 감소하여 양수의 일을 하는 것은 불가능합니다.
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Serway 대학 물리학 2 31강: 등적, 등압, 등온 과정에서 내부에너지, 열, 기체가 모두 같은 부호를 가지는 이유
물리학은 우리가 살아가는 세상의 원리를 이해하고 그것을 이용해서 실제 문제를 해결하는 데 큰 도움을 줍니다. 이번에는 Serway 대학 물리학 2의 31강에서 배운 등적, 등압, 등온 과정에서 내부에너지, 열, 기체가 한 일이 모두 같은 부호를 가지는 이유에 대해 알아보겠습니다.
먼저, 등적, 등압, 등온 과정에서 내부에너지, 열, 기체가 한 일이 모두 부호가 같다는 것은 열역학의 제 2법칙 때문이라고 합니다. 그런데 이 문장에서 말하는 '부호'란 무엇일까요? '부호'란 어떤 수치가 양수인지 음수인지를 표시하는 기호이며, 여기서는 내부에너지, 열, 기체가 한 일의 크기와 방향을 나타냅니다.
내부에너지, 열, 기체가 한 일의 부호
열역학의 제 1법칙에 따르면, 열을 흡수하는 경우 내부에너지의 변화량과 기체가 한 일의 합은 양수여야 합니다. 이는 온도가 상승하면서 부피가 증가하여 기체가 작용한 일과 내부에너지의 변화량이 양수가 되기 때문입니다. 그런데 여기서 주의해야 할 점은 내부에너지가 감소하면서 부피도 감소하게 되면 기체가 한 일이 음수가 되므로, 이는 제 1법칙에 위배된다는 것입니다.
따라서, 내부와 외부에서 기체만 존재하는 경우에는 내부에너지가 감소하여 양수의 일을 하는 것은 불가능합니다. 이는 열을 흡수하거나 방출하는 과정에서 내부에너지의 부호가 양수라면, 기체가 한 일의 부호도 양수여야 한다는 것을 의미합니다.
결론
결국, 등적, 등압, 등온 과정에서 내부에너지, 열, 기체가 모두 같은 부호를 가지는 이유는 열역학의 제 1법칙 때문입니다. 이 법칙에 따르면, 열을 흡수하면서 내부에너지가 증가하면 기체가 한 일도 양수가 되어야 하며, 이와 반대로 내부에너지가 감소하면 기체가 한 일도 음수가 되어야 합니다. 이와 같이 열역학의 원리를 이해하면 우리 주변의 다양한 현상을 이해하는 데 도움이 됩니다.
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