열역학 제 1법칙 - 단열압축/단열팽창 원리와 예

 

 

 

단열압축과 단열팽창.

단열은 열의 출입이 없다는 것을 뜻한다.

 

즉, 계와 외부 사이에 열의 출입이 없는데 부피가 작아지거나(압축), 커진다는것.(팽창)

 

이 역시 이전에 포스팅한 열역학 제1법칙과 관련한다.

 

다시 한번 간단히 설명하면 열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙.

(에너지는 만들어지거나 파괴되지 않는다. 단지 형태가 변할 뿐-)

 

이를 쉽게 증명하기 위해 물질의 출입은 없는 닫힌계를 가정해 식으로 나타내면 다음과 같다.

△U = △ Q - △W

 

말로 풀면,

계가 외부로부터 열(Q)를 받고 일(W)을 외부에 했을 때 계의 내부에너지 변화는 받은 열에서 외부에 한 일을 뺀 값이다.

라고 할 수 있다.

 

여기서 단열압축/팽창은, 열의 출입이 없기에 Q=0이 되어 △U = - △W.

즉, 계의 내부에너지 변화량은 계가 외부에 한 일이나 외부로부터 받은 일의 양과 크기가 같다.

 

즉-

단열압축은 부피가 줄어듬(압축됨) = 외부로 힘을 받아서(에너지공급)= 내부에너지 증가 = 계의 온도가 올라감

단열팽창은 부피가 늘어남(팽창) = 외부로 일을 하기 때문이겠지(에너지유출) = 내부에너지 감소 = 계의 온도가 내려감

 

 

 

만약 이 때,  계를 제외한 '외부'에 기체가 없는 진공상태라면,

계가 팽창하더라도 외부에 일을 하게 되는 건 아니다. 밀어낼 것이 없으니까. 그럼 같은 이유로 팽창하더라도

계의 온도는 내려가지 않고 그대로다.

 

 

 

 

 

단열과정 예

 

 단열압축의 좋은 예는, 공기가 든 주사기의 끝을 막고 피스톤을 빠르게 누르면 부피가 순간적으로 줄어들면서(압축되어)

주사기 속 공기 온도가 올라간다는 것.

 

타이어에 공기를 마구 주입하면 주입 전과 후 부피는 일정한데 비해 내부에 공기입자가 많아져 압축되는 효과가 나타난다.

그러다보면 타이어와 공기펌프가 따뜻해지는 걸 느낄 수 있다..

 

단열팽창의 대표적인 예로 구름이 생기는 원리를 들 수 있다.

 

따뜻해진 공기덩어리를 계로 가정하자.

따뜻한 공기는 밀도가 작아(주변공기보다), 위로 상승하고 차가운 공기는 밀도가 커 하강한다.

그런데 공기가 계속 올라갈수록 - 기압은 낮아진다(이 공기덩어리를 주위에서 누르는 힘이 약하므로). -> 팽창한다.

 계(공기덩어리)의 외부로 일을 해준게 된다. -> 밖으로 해준 만큼 이 계(공기덩어리)는 에너지를 잃는다. -> 내부에너지감소->온도하강

이 때 공기 온도가 이슬점 이하로 떨어지면, 공기 중의 수증기가 응결하여 물이 되며 구름을 생성하는 것.

 

아래 그림을 참고.

 

(오른쪽사진출처: 비상교육)

 

 

*이슬점: 불포화 상태의 공기가 냉각될 때 포화 상태에 도달하여 수증기의 응결이 시작되는 온도

 

 

 

이 과정은 단열팽창이라 할 수 있다. 왜? 공기덩어리가 외부로부터의 열 출입이 없이(단열) 팽창함으로써 구름이 되니까.