열에너지

열에너지(Heat Energy)는 열의 형태를 띄고 있는 에너지로, 물체의 온도를 변화시키거나 상태를 변화시키는 에너지이다. 단위는 줄(J)을 사용하며 어떠한 에너지 간에도 변환이 가능하여 열기관이 작동하고 물체 간 열전달이 일어난다.

개요

열에너지는 열과는 전혀 다른 개념이며, 계와 환경사이에서 일어나는 자발적인 형태의 에너지 전달이다. 동시에 역학적인 일의 형태나 전도, 대류, 복사 등이 아닌 방법으로 일어나는 에너지의 전달이다. 한 열역학적인 계가 가지고 있는 열에너지의 양은 고전역학에서 한 계가 가지고 있는 일의 양과 마찬가지로 용어 자체가 성립할 수 없는 양이다. 한 역학적인 계가 다른 역학적인 계에 일의 형태로 에너지를 전달할 수 있는 것처럼, 열에너지는 한 열역학적인 계가 다른 열역학적인 계로 전달할 수 있는 에너지의 일종이다. 열에너지의 계는 경계 조건에 따라서 나눠지는 것으로 주변과 물질 및 에너지 교환이 단절된 경우 고립계, 주변과 물질 및 에너지 교환이 모두 일어난 경우를 열린계, 주변과 물질은 교환되지 않지만 에너지는 이동한느 닫힌계가 있다.

역사

열에 관한 열학이 물리학의 한 분야로 등장하기 시작한 것은 18세기이며 그 당시 열은 물질로 간주되었고 그것을 열소라고 했다. 당시는 관념적 개념인 열소설이 지배적이었으나, 열소설로는 마찰에 의한 열의 발생 등을 설명할 수 없었고 톰슨이나 디바이 등에 의해 열은 물질이 아니라 역학적 일과 밀접한 관계를 가지고 있는 에너지의 한 형태임이 밝혀졌다. 이 관계를 좀더 정량적으로 확립시킨 사람은 마이어와 영국 물리학자인 줄이다. 이들에 의해 열이 에너지의 한 형태라는 개념이 확립된 것은 19세기 초반이다. 또한, 이들은 열의 일당량을 처음으로 측정하였다. 열을 정량적으로 측정하기 위해서는 열량이라는 물리량이 사용되는데, 열량의 단위로서는 일반적으로 칼로리가 사용된다. 더불어 열을 에너지의 한 형태로서 취급할 때는 에너지의 공통단위인 줄 이외에 에르그(erg)로도 표시한다.

열역학법칙

열역학 제 0법칙

열역학 제 0법칙은 열역학법칙 중 제일 늦게 1930년대에 제시되었으며 열역학적 평형을 뜻한다. 온도가 다른 물체를 접촉시키면 높은 온도를 지닌 물체의 온도는 내려가고 낮은 온도의 물체의 온도는 올라가서 결국 두 물체는 열평형 상태가 된다. 이와 같은 상태를 열역학 제 0법칙이라고 하며 즉, 열적으로 평형을 이루려고 함이다. 하지만 열역학 제 0법칙에서 다룬 열역학적 평형은 열에너지의 양의 평형이 아니다. 열에너지와 온도가 다르기 때문에 물체의 열에너지가 많고 적응에 따라 이동하는 것이 아니라 온도의 높고 낮음에 따라 열이 이동하게 되는 것이다. 물체의 열에너지가 동일하여도, 온도가 서로 다르면 열 이동이 발생하며 온도가 같아져야 비로소 열역학적 평형을 이룰 수 있다.

열역학 제 1법칙

열역학 제 1법칙은 에너지 보존법칙으로 불린다. 열과 일은 에너지의 한 형태로 일은 열로, 열은 일로 변환이 가능하다. 따라서 하나의 계가 가지고 있는 에너지는 형태만 바뀔 뿐 에너지의 총량은 일정하다는 것이다. 하지만 에너지가 사라지거나 생성되지 않지만 형태만 변형된다. 즉, 물리적 현상에 따라 한 물체에서 다른 물체로 에너지가 옮겨가거나 물체의 에너지가 다른 종류의 에너지로 변환할 때, 항상 자연계 전체의 에너지의 총량은 일정하게 보존된다는 법칙이다. 이때, 자연계는 내/외부 간 에너지 출입이 없는 고립계를 의미한다. 따라서 에너지는 무에서 유로 생성이 되거나 유에서 무로 사라질 수 없다. 처음 에너지라는 개념이 발견되기 이전에는 기계적 작용, 열, 소리, 빛 등이 모두 다른 개념으로 사용되었지만, 에너지 개념의 발견으로 모두 설명할 수 있게 된다. 또한 에너지 보존법칙의 발견으로 모든 에너지들이 서로 에너지 손실 없이 변환한다는 것을 알았다. 예를 들어 물체가 일정 위치에서 지상으로 떨어질 경우 위치에너지가 운동에너지로 변환되면서 속도가 증가하지만, 위치에너지와 운동에너지의 총합은 일정하게 보존된다.

열역학 제 2법칙

열역학 제 2법칙은 가역과 비가역의 법칙 또는 엔트로피 증가 법칙으로도 불린다. 고립된 계에서는 엔트로피가 증가하는 현상만 일어나며 감소하지 않는다. 에너지의 형태 중에서 엔트로피가 가장 높은 형태는 열의 형태이기 때문에 모든 에너지는 궁극적으로 열이 된다. 다른 말로, 사용해버린 에너지인 엔트로피가 높은 상태를 같은 양의 엔트로피가 낮은 에너지로 다시 되돌리는 것은 불가능하다. 예를 들면, 석유를 에너지로 쓰고 난 다음 다시 석유로 되돌리는 것이 불가능한 현상이 있다.

열역학 제 3법칙

열역학 제 3법칙은 네른스트 플랑크 정리로 불리며 절대 영도에서 엔트로피는 0이 된다. 즉, 절대 영도에 한없이 가까워지면 엔트로피 변화량은 무한히 0에 가까워진다.

참고자료

• 사이언스올, 〈열에너지(thermal energy / heat energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
• 〈열에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 한화토탈, 〈(쉽게 읽는 과학 2) 열역학 1법칙〉, 《티스토리》, 2019-12-06
• 〈열에너지〉, 《네이버 지식백과》
• 될놈, 〈열역학 법칙 정리 - 제 0법칙, 1법칙, 2법칙, 3법칙〉, 《네이버 블로그》, 2016-03-17
• 친절한 한국늑대, 〈(열역학 법칙)열역학 제0법칙이란 무엇인가?〉, 《티스토리》, 2020-09-17
• 사이언스올, 〈에너지 보존 법칙(law of energy conservation)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09

같이 보기

• 에너지
• 열

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