문서의 임의 삭제는 제재 대상으로, 문서를 삭제하려면 삭제 토론을 진행해야 합니다. 문서 보기문서 삭제토론 에너지 보존 법칙 (문단 편집) == 열역학 == [include(틀:상위 문서, top1=열역학 법칙)] [include(틀:관련 문서, top1=열역학 과정)] [[고립계]]의 에너지 총합은 일정하다. 이는 다음 식으로 흔히 표현된다. {{{#!wiki style="text-align: center" [math( \displaystyle Q = \Delta U + W )]}}} {{{#!wiki style="text-align: center" [math( \displaystyle \delta Q = \delta U + \delta W )]}}} 이때, [math(U)]는 계(혹은 간단히 기체)의 내부('''int'''ernal) 에너지를 뜻하며, 이는 계가 가지고 있는 에너지 중 그 계 전체가 통째로 움직이는 운동에 의해 지니고 있는 운동에너지와 계 외부에서 가해진 역장에 의해 계 전체가 통째로 가지게 된 포텐셜에너지를 제외한 그 계의 모든 에너지를 의미한다. [math(Q)]는 계(기체)가 흡수한 열을 나타내며, 방출할 경우 음수로 나타낸다. 또한 [math(W)]는 계가 한 일을 나타내는데, 팽창해서 부피가 증가할 경우 [math(W)]는 양수, 수축해서 부피가 감소할 경우 음수로 나타낸다. 다시 말해 '일'은 '계 전체가 통째로 움직이는 것에 의한 운동에너지'의 형태로 전달되는 에너지의 양으로 정의할 수 있고, '열'이란 '그 외의 형태의 운동에너지'의 형태로 전달[* 전도, 대류, 복사 등]되는 에너지의 양으로 정의할 수 있다.[* 간단히 말해 일([math(W)])은 에너지의 ''역학적인'' 전달, 열([math(Q)])은 에너지의 ''비(非)역학적인'' 전달로 설명할 수 있다. ] 즉, [math(Q)]와 [math(W)]는 각각 계 내부와 외부 사이에서 '''전달'''되는 에너지를 뜻한다. 열과 일은 그 자체로 에너지의 '''전달''' 혹은 '''변환'''이라는 의미를 갖고 있기 때문에 [math(\Delta)]가 붙지 않는 것이다. 전달되지 않은 특정 상태의 에너지 자체는 열역학적으로 아무런 가치가 없다. 기체가 든 뚜껑이 닫힌 상자를 생각해보자. 상자를 건드리지 않는다면, 상자 속 기체는 무작위적인 방향으로 움직이며, 모든 입자의 속도(벡터)를 평균하면 어느 방향으로도 움직이지 않는 [math(\rm0\,m/s)]이 될 것이다. 만약 이 상자에 열을 가하면, 기체 입자 하나 하나의 무작위적인 방향으로의 속도의 크기는 증가할 것이다. 그러나 라면을 끓일 때 냄비가 스스로 움직이지 않는 것에서 알 수 있듯, 입자의 속도의 평균은 여전히 [math(\rm0\,m/s)]이다. 만약 이 입자에 일을 하면, 일은 입자 하나 하나의 속도에 일정한 방향의 속도 성분을 추가한다. 이를 통해 입자 전체 속도의 평균이 [math(\rm0\,m/s)]이 아니게 된다. 상자가 움직이는 것이다. 그러나 상자에 대한 입자들의 무작위적 방향으로의 속도가 증가하지는 않는다. 입자의 속도가 증가한 만큼 상자의 속도도 증가했기에, 상대 속도는 변하지 않는 것이다. 라면 냄비를 팔로 밀었다고 라면이 스스로 끓지는 않는 것이다. 외계의 접촉이 없을 때 고립계에서 에너지의 총합은 일정하다는 에너지 보존 법칙은 고전역학의 바탕이 되는 법칙 중 하나며, 열역학에서도 이 법칙이 성립한다고 선언한 것이 바로 열역학 제1법칙이다. 이 법칙에 따르면 에너지는 그 형태를 바꾸거나 다른 곳으로 전달할 수 있을 뿐 생성되거나 사라질 수 없다. 에너지의 총량은 항상 일정하게 유지된다는 것이다. 롤러코스터에서 중력에 의한 퍼텐셜(위치) 에너지가 운동 에너지로 변환되거나 화약의 화학 에너지가 총알의 운동 에너지로 변환되는 것이 그 예이다. 이를 한마디로 나타내면 다음과 같다. >외부와 에너지 교환이 없는 고립계 내에서 에너지는 사라지지도 생겨나지도 않는다. 다만 그 형태는 바뀔 수 있다. 그래서 우리는 항상 가장 쓸모없는 에너지인 열을 다른 걸로 좀 바꿔보려고 애를 쓴다. 하지만 그것은 아래에서 설명하는 열역학 제2법칙 때문에 효율에 한계가 있으며 항상 엄청난 저효율로 인해 고생한다. 오히려 열을 다른 에너지로 바꾸는 데 드는 에너지들이 열로 더 많이 바뀐다. 아인슈타인의 그 유명한 공식 [math(E=mc^2)]이 나온 이후에는 질량 역시 에너지의 한 가지 형태라는 것이 밝혀졌다. 따라서 에너지 총합에 질량을 넣어야 한다. 일상적인 상황에서는 굳이 생각하지 않아도 되어서 핵에너지는 내부 에너지 계산 시에 종종 생략하지만 원자로의 핵분열 반응이나 항성의 내부를 다루는 경우에는 질량 손실에 해당하는 에너지가 열의 형태로 방출되기 때문에 반드시 고려해야 한다. 마이너 버전으로 보존력장 내에서의 역학적 에너지(운동에너지+퍼텐셜 에너지) 보존이 있다. 여기서는 에너지 [math(E=T+V)]가(그러니까 [[해밀토니안]]) 일정하다고 나타낸다. 보존력장에서는 반드시 성립하며, '시간의 균질성(Homogeneity of time)'을 시사한다. 특별한 시간은 없고, 어느 시간에 대해서도 물리 법칙이 동등하게 적용된다는 것. 다만 열역학 제1법칙이 우리가 알고 있는 형태의 에너지 보존법칙의 부분집합일 뿐이라고 생각하면 곤란하다. 이 법칙이 나오게 된 시대적인 배경을 고려해야 하는데, 19세기에 들어서조차도 과학자들은 "열현상"이라고 분류되는 현상의 본질에 대해 100% 확신이 없었다. 그래서 '열은 칼로릭(caloric)이란 유체가 물질 사이를 이동하는 현상이다.'라는 칼로릭 이론도 19세기 초까지 진지하게 받아들여지고 있었다. 열역학 제1법칙이란 우리가 관측하는 열현상이 단지 미시적인 원자, 분자들의 운동의 결과물일 뿐이라는 하나의 패러다임의 선언문으로 이해할 필요가 있다. 이것을 인정하고 나면, 거시세계에서 이미 확립된 에너지 보존법칙을 열현상에까지 확장하는 것이 자연스럽게 된다. 럼포드(Rumford), [[줄]], [[제임스 클러크 맥스웰|맥스웰]], [[루트비히 볼츠만|볼츠만]] 등의 19세기의 과학자들의 오랜 연구의 결과물인 것이다. 물론 고등학교 물리 과정에서 위의 정도까지 알 필요는 없고 [math(Q=\Delta U=nC_V\Delta T)](정적 과정, isochoric)과 [math(Q=\Delta U+W=\Delta U+p\Delta V)](정압 과정, isobarric)이 정도만 알면 된다. 대학 과정으로 가면 정온 과정, 단열 과정부터 시작해 [math(\displaystyle \int c\,{\rm d}T)], [math(\displaystyle \int \mu\,{\rm d}n)]등 전기적, 자기적, 화학적 에너지까지 다룬다. 20세기 초, 에너지 보존 법칙은 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 통해 질량-에너지 보존 법칙으로 확장되었다. 특수 상대성 이론에 따르면 질량은 에너지의 한 종류이고 기준 관성계에 따라 측정되는 값이 다를 수는 있지만 같은 관성계에서 시간의 변화에 대해서 불변이다. 열역학 제1법칙에 위배되는 영구기관을 제1종 [[영구기관]]이라고 부른다. [include(틀:문서 가져옴, this=문단, title=열역학 법칙, version=218, paragraph=2)]저장 버튼을 클릭하면 당신이 기여한 내용을 CC-BY-NC-SA 2.0 KR으로 배포하고,기여한 문서에 대한 하이퍼링크나 URL을 이용하여 저작자 표시를 하는 것으로 충분하다는 데 동의하는 것입니다.이 동의는 철회할 수 없습니다.캡챠저장미리보기