열역학의 기본 법칙
열역학의 첫 번째 법칙은 과학 교실 외부에서도 널리 알려져 있습니다. 왜냐하면 에너지 절약의 균형에“열”을 도입하기 때문입니다. 단순화 된 버전에서, 우리는 열의 합과 신체에서 수행 된 작업의 합이 신체의 총 에너지의 변화에 해당한다고 말할 수 있습니다.
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반면에 열역학의 제 2 법칙은이 법의 여러 버전이 교과서에서 찾을 수 있기 때문에 때때로 혼란을 유발합니다. 이 버전 중 하나는 정량적이고 엄격하게 공식화되었지만 분리 된 시스템의 엔트로피가 일정하거나 시간이 지남에 따라 증가하지만 결코 감소하지 않는다고 말하면서 상당히 추상적입니다.
이 법의 다른 공식화는“열이 뜨겁에서 추위로만 흐를 수 있습니다”라는 말과 같은 해석의 여지를 남길 수 있습니다. 이 진술이 완전히 잘못되었다는 사실은 분명합니다. 일반적인 주방 냉장고에서 열은 전기 콘센트에 연결된 압축기가 냉장고에서 작동하기 때문에 항상 차갑에서 뜨겁습니다. 따라서 "열이 외부 개입이없는 한 열이 뜨겁에서 차가운 곳으로 만 흐를 수 있습니다." 그러한 개입은 열이 차가운 곳에서 뜨겁게 흐르도록 강요하고 궁극적으로 항상 외부 에너지 원이 필요합니다.
열 회로와 전기 회로의 유추
열역학 및 전기 수업을받은 학생들은 또 다른 흥미로운 사실을 알 수 있으며, 이는 제 2 법칙과 관련이없는 언뜻보기에 나타날 수 있습니다. 두 개의 연결된 몸체가 전기 회로에서 온도와 전류를 평등하게하는 즉시 발생하는 열 전류는 동일한 수학적 형식으로 설명 할 수 있습니다. 열 전류에 대한 전기 아날로그는 전류이며, 열은 전하에 해당하고 온도는 전기 전압에 해당합니다. 특정 간단한 전기 부품조차도 열이 있습니다. 전기 커패시터는 열 용량과 동일하며 전기 전도도 (또는 전기 저항)는 각각 열 전도도 (또는 열 저항)에 해당합니다. 이 관점에서, 두 몸 사이의 온도의 평형은 전기 커패시터의 배출과 유사합니다.
전기 회로에서 널리 사용되는 또 다른 구성 요소는 전기 인덕터입니다. 그것은 일반적으로 코일에 와이어 상처로 구성되며 때로는 자화 가능한 재료 (예 :철과 같은)로 채워져 그 값의 값을 향상시킵니다. 전기 커패시터에 연결하면 폐쇄 회로가 발생하여 해당량이 주기적으로 부호를 변경하는 시간에 따른 충전, 전류 및 전압의 진동이 가능합니다. 이 진동의 주파수는 본질적으로 커패시턴스의 값과 인덕턴스에 의해 결정됩니다.
"열 인덕터"가 존재합니까?
그러나 전기 인덕터에 대한 열 아날로그는 최신 이름이없는 것으로보고되지 않았습니다. 문헌에서 이루어진 "열 인덕터"를 구성하기위한 모든 제안은 물질의 흐름 또는 시간 의존적 일시적 프로세스와 관련된 비평 형 프로세스에 기초하여, 고려중인 신체가 열역학적 변수를 잘 정의하지 않았다. "열 인덕터"의 존재는 열역학 제 2 법칙을 위반할 것이라고 종종 주장되었다. 실제로, 이러한 "열 인덕터"와 열 용량으로 구성된 열 진동 회로는 두 바디 사이의 온도 차이가 영구적으로 부호를 변화시키는 진동 열 전류를 생성 할 수있게 해줍니다. 결과적으로, 열이 더 차가운 물체로 일시적으로 흐르면서 차가운 몸이 더 차가워 지도록합니다.
"열 인덕터"
를 사용하여 열 전류 진동"열 인덕터"처럼 작동하는 장치의 발명에는 최고 기술과 고급 최첨단 재료가 포함될 것으로 기대할 수 있습니다. 이미 2011 년에 돌아온 우리는 열 발진기로 실험을 수행했으며, 정밀도로 열량을 측정하는 것을 목표로했습니다. 이를 위해 전기 인덕터 (즉, 코일)로 시판되는 펠티에 요소를 직렬로 전환하고 측정 할 열 용량과 열적으로 연결했습니다. 펠티에 요소는 현재 냉각 기술에 널리 사용됩니다. 전류를 열 전류로 변환 할 수 있으며 반대로 전기 전압과의 온도 차이를 전환 할 수 있습니다. 결과 장치는 열 용량과 "열 인덕터"가있는 열 진동 회로와 똑같이 동작했습니다. 이 실험은 외부 에너지 원과 전자 제품이 연결된 "활성"회로로 작동하여 전기 손실을 보상하고 오랫동안 꾸준한 공진 진동을 유지하기 위해 작동 하였다. 이로 인해 공진 주파수를 정확하게 측정하고 최종적으로 열 용량의 값을 계산할 수있었습니다.
당시 및 사용 된 전기 부품을 사용하여 외부 구동 구동 구동 회로를 분리하면 시스템이 스스로 휴식을 취할 수있게되면 과도하게 조작 된 동작 만 허용했습니다. 해당 열 및 전기 방정식을 다시 고려함으로써 (아이러니하게도, 이것은 첫 학기에 공학 분야의 학생이 쉽게 재현 할 수있는 작업입니다) 우리는 외부 주행 원이없는 경우에도 온도와 열의 변화에 대한 진동 솔루션도 가능하다는 것을 깨달았습니다. 다시 말해, 두 바디 사이에 초기 온도 차이를 만들고 외부 에너지 원과 분리하고 열 인덕터를 통해 열을 교환 할 수있게하면 온도 차이가 변할 때마다 열이 냉기로 흐르는 시간을 볼 수 있어야합니다.
실험
간단하게 들리는만큼, 우리는 여전히 상당히 쉽게 상업적인 펠티에 요소 (상당히 쉬운)를 찾기 위해 약간의 노력을 기울여야했지만, 전기 손실이없는 전기 인덕터, 즉 원하는 사양이있는 초전도 코일을 찾기 위해 노력해야했습니다. 그런 다음 물체 (9 그램의 구리)를 섭씨 104도까지 가열하여 펠티에 요소의 한쪽으로 연결했습니다. 주변 온도 (≈ 22도)에서 열 목욕을 그 요소의 반대편에 배치했습니다. 잠시 후, 구리의 온도는 열 욕조의 온도보다 크게 떨어졌다. 수학 언어에서, 진동 온도 차이는 처음으로 0을 통과 한 후 부호가 바뀌 었습니다.
여기서 언급 할 미묘하지만 중요한 점은 다른 형태의 에너지로 전환되지 않고 열이 차가운 곳에서 핫으로 직접 흐르고 있다는 사실입니다. 코일에 저장된 자기 에너지는 무시할 수 있으므로 열은 차갑에서 뜨거운 것으로 직접 비행해야합니다. 주변 온도에 대한 최대 온도 차이는 ≈ 2 도의 실망스럽게 작은 값에 도달했지만, 이는 주로 아래에서 볼 수 있듯이 중고 상업용 펠티에 요소의 성능이 제한되어 있기 때문입니다.
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열역학 제 2 법칙과의 중요성과 관계
분명히, 우리의 연구는 주로이 단계에서 원칙적 증명 연구를 대표합니다. 그럼에도 불구하고, 실험은 어느 정도까지 열 흐름에 대한 일반적인 인식에 도전하며, 일부 교과서에서 열역학 제 2 차 열역학의 특정 단축 버전에 의해 잘못 인도되었을 수있다. Clausius의 원래 버전은 콜드에서 뜨거운 열로의 열 흐름은“동시에 발생하는 다른 변화와 관련하여 연결되어 있어야합니다.”라고 말합니다. 이 "기타 변화"는 외부 중재 또는 우리의 경우와 같이, 열 연결의 필수 부분 인 중고 전기 인덕터가 "열 인덕터"회로 내에서 흐르는 진동 전류로 인해 상태를 영구적으로 변화시키고 있다는 사실을 의미 할 수 있습니다.
.우리가 이러한 실험을 수행하기 전에도 물론 열역학 제 2 법칙은 위반되지 않을 것이라는 것을 알았습니다. 이것을 엄격한 방식으로 증명하기 위해, 우리는 전체 시스템의 엔트로피의 변화를 고려하고 시간이 지남에 따라 단조롭게 증가하고 있음을 보여주었습니다. 일부 더 깊은 고려로 인해 주변 온도 이하의 냉각 과정이 원칙적으로 얼마나 멀리 도달 할 수 있는지 예측할 수있었습니다. 펠티에 요소 (두 번째 법의 다른 버전에서 가져온 기준)의 최대 열역학적 효율을 가정하면 동일한 실험 조건에서 섭씨 47도에 도달 할 수 있다고 결론을 내 렸습니다.
열전 장치 및 초전도체의 미래의 기술적 진보로 인해 많은 양의 뜨거운 고체, 액체 또는 기체 재료가 원칙적으로 외부 에너지 원이나 움직이는 부품없이 실온 아래로 훨씬 아래로 냉각 될 수 있으며 수동 열 회로는 원하는만큼 자주 사용될 수 있습니다.
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