열역학적 과정 이해:유형, 방정식 및 응용

핵심 개념

이 기사에서는 압력-체적 곡선과 함께 단열, 등온, 등온 및 등압 과정의 네 가지 열역학적 과정을 다룰 것입니다. 이 기사를 마치면 시스템이 일과 열을 통해 주변과 상호 작용하는 방법을 설명하고 이해할 수 있습니다.

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시스템 및 주변 환경

열역학에서는 시스템 연구 중인 개체입니다. 따라서 다른 모든 것은 주변입니다. 이 시스템의. 시스템과 그 주변은 물질과 에너지를 교환함으로써 상호 작용할 수 있습니다. 시스템에는 세 가지 유형이 있습니다:

격리된 시스템 :주변 환경과 물질이나 에너지를 교환할 수 없는 시스템입니다. 이에 대한 한 가지 예는 보온병입니다. 플라스크가 밀봉되어 있으므로 물질이 교환되지 않습니다. 보온병은 또한 열 대류, 전도 및 복사를 방지하여 모든 형태의 열 전달을 방지합니다. 이렇게 하면 플라스크 내부의 액체를 오랫동안 뜨거운 상태로 유지할 수 있습니다.
폐쇄형 시스템 :주변과만 에너지를 교환할 수 있는 시스템입니다. 예를 들어, 가열 패드와 얼음주머니는 폐쇄형 시스템입니다. 그들은 에너지 교환을 허용하며, 이는 열이 각각 그들 사이에서 전달되는 방식입니다. 그러나 그 안의 액체는 새어나오지 않기 때문에 어떤 물질도 교환되지 않습니다.
개방형 시스템 :주변 환경과 에너지와 물질을 교환할 수 있는 시스템입니다. 뚜껑이 없는 끓는 냄비의 경우도 마찬가지입니다. 냄비 주변이 따뜻해지기 때문에 에너지가 교환됩니다. 게다가 물의 일부가 기화하여 냄비 밖으로 나가는데, 이것이 물질 교환입니다.

익혀야 할 개념

열역학적 프로세스는 시스템 간 및 내부에서 에너지(열) 전달을 특징으로 합니다. 이는 프로세스 전반에 걸쳐 변경되거나 일정하게 유지되는 시스템의 속성을 이해하는 데 도움이 됩니다. 하지만 프로세스를 시작하기 전에 다음 두 가지 사항을 숙지해야 합니다.

압력-부피 곡선 :가스가 팽창하거나 압축될 때 작업은 각각 시스템에 의해 또는 시스템에서 수행됩니다. 우리는 이것을 방정식으로 표현합니다. 그래픽적으로 부피 변화(x축)에 대해 압력(y축)을 표시하면 결과 곡선 아래의 면적이 일의 값과 같습니다.

등압, 등온, 등온, 단열의 네 가지 프로세스가 있습니다

등압 과정

등압 과정은 압력이 일정할 때 발생하는 과정입니다. 부피의 변화에 관계없이 압력은 일정하므로 곡선은 수평의 평평한 선이고 작업은 그 아래의 직사각형 영역입니다.

등압 과정 그래프

등변성 과정(등체적)

등변성 과정은 일정한 부피에서 발생합니다. 볼륨이 고정되어 있기 때문에 , 우리 곡선은 아래에 영역이 없는 수직선이 됩니다. 즉, 아무런 작업도 수행되지 않았음을 의미합니다. 우리가 배치하면 작업 방정식에서 우리는 또한 다음을 얻습니다. .
이것을 열역학 제1법칙의 방정식에 대입하면 다음과 같은 결과가 나옵니다. . 이는 시스템의 에너지 변화가 시스템에 추가된 열과 동일하다는 것을 의미합니다.

등방성 과정의 그래프

등온 과정

등온 과정에서는 온도가 일정합니다. 따라서 계의 내부에너지에는 변화가 없으며, . 따라서 열역학 제1법칙은 다음과 같이 단순화됩니다. 이므로 시스템에 열이 추가되면 시스템이 작업을 수행하여 보상됩니다. 는 이 과정의 곡선은 쌍곡선입니다. 그리고 이상기체 방정식을 통해 압력을 계산할 수 있습니다.

등온 과정 그래프

더 많은 도움이 필요하시면 등온 과정을 설명하는 대화형 비디오를 시청하세요

단열 과정

단열 과정은 시스템과 그 주변 환경이 열을 교환할 수 없을 때 발생합니다. 그러므로, . 이것을 첫 번째 법칙에 대입하면 다음을 얻습니다. . 이는 내부 에너지의 변화가 에 수행된 일과 동일하다는 것을 의미합니다. 시스템.
는 등온 과정과 유사한 곡선도 쌍곡선이지만 기울기가 더 가파르습니다.