Engineer's Background/History of Mechanical Engineering

열이란?

행복지구 2016. 12. 15. 22:18


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열이란?


18세기의 열소이론(Phlogiston theory)

열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 저절로 흐르는 열소(Phlogiston)에 의한 현상이라는 지금은 폐기된 이론을 열소이론이라 한다.


'불에서 나오는 열이 무엇일까?'라는 답을 얻기 위해 '열소(Phlogiston)'라는 개념을 도입했었다. 

17세기, 연소에서 열의 역할을 설명하기 위해 열소이론이 도입. 당시 열소는 질량과 구별되는 물질이라고 생각했다. 


질량보존법칙처럼 열소도 보존되고, 물체가 불타면 물체 안에 있던 열소가 방출되는 것이라고 생각했다. 


열소는 질량이 없는 기체로 액체나 고체의 기공을 통해 물질을 통과할 수 있다고 생각되었다. 


열에 관련된 많은 자연현상을 설명할 수 있어, 거의 100년간 유지되었다. 


19세기 중엽, 열이 물질이 아니라 역학적 현상임이 밝혀져 옳지 않다고 증명되었지만, 

19세기 말까지 과학자들 사이에서 거론되었다. 



열소이론의 설명 예

  • 열소는 서로 척력을 작용해서 뜨거운 물의 열소가 시간이 흐르며 저절로 공기로 밀쳐져 나가면서 물이 식는다. (중력에 의해 작용하는 만유인력과 달리, 열소는 서로 척력이 작용한다고 생각)
  • 온도가 높아지면 기체가 열소를 흡수하여 부피가 커진다. 
  • 카르노(Carnot)는 열소이론으로 그의 카르노 열기관이 동작하는 이치를 설명하였다. 
  • 뉴턴이 등온과정이라는 가정 하에 공기 중에 소리의 속도를 계산했었다. 이를 라플라스가 열소이론을 이용하여 단열과정이라는 가정으로 확장해 수정하여, 열소이론의 성공을 이끌었다. 



1798년, 럼퍼드 백작(벤자민 톰슨)이 대포의 포신을 제작하면서 쇠를 깎아도 발생하는 열량이 줄어드는 대신 늘어나는 것을 보고 열소가 보존되지 않는다고 주장. 


1884년, 영국의 과학자 제임스 줄(Joule)이 '마찰'과 열소의 관계에서 착안한 실험장치를 통해 열과 일이 동등하다는 것을 실험으로 증명하면서, 일을 해줘서 열이 생성되는 것을 통해 물질 내부에 열소가 포함되어 있는 것이 아니라고 주장하면서 열소이론이 소멸됨. 줄의 실험으로 1 칼로리의 열이 4.16 줄의 일에 해당하는 것을 보였다. 



열에너지

계의 열에너지는 계를 구성하는 수많은 구성입자들이 벌이는 무질서한 운동의 운동에너지이다. 

열의 단위: 에너지 단위 W


온도

계의 온도는 계의 구성입자 하나 당 평균 운동에너지에 비례

온도의 단위: 평균 에너지의 단위


온도 눈금

  • 절대 온도의 0 K: 물질의 운동이 전혀 없는 상태을 기준
  • 섭씨 온도의 0 oC : 물의 어는점을 기준
  • 화씨 온도의 0 oF : 얼음과 물, 염화 암모늄을 1:1:1의 비로 섞은 후 그 온도를 기준


열의 이동

  • 전도(Conduction) : 물질은 이동하지 않고 열만 이동(고체 내부에서 열의 이동)
  • 대류(Convection) : 물질이 열과 함께 이동 (액체와 기체에서 열의 이동)
  • 복사(Radiation) : 에너지가 전자기파에 의해서 이동

Radiation은 복사, 방사선, 전자기파 등으로 해석됨.

물체의 열에너지가 방출될 때 전자기파는 주로 적외선이다. 

적외선은 분자들을 무질서하게 진동하게 만들어, 물체의 온도가 상승하게 된다. 

한편, 자외선은 분자 내부에 흡수되어, 분자 내부에너지를 증가시킨다.   



열적 평형

뜨거운 물체와 같이 수많은 구성입자들로 이뤄진 계를 열역학적 계라고 한다. 

열역학적 계에서 열에너지는 끊임없이 이동한다. 

열에너지는 높은 온도의 열역학적 계에서 낮은 온도의 열역학적 계로 알짜 이동한다. 

열에너지의 알짜 이동이 없을 때, 두 열역학적 계는 열적 평형을 이룬다고 말한다. 

두 열역학적 계에서 입자 하나당 평균 열에너지가 같을 때는 열에너지의 알짜 이동이 일어나지 않는다. 


열역학 제0법칙 : 열적 평형


열팽창

대부분의 물체는 온도를 높이면 팽창한다. (예외, 섭씨 0도에서 4도 사이의 물)



열현상

기체운동론


보일-샤를의 법칙

기체를 가열하면 온도, 압력, 부피가 서로 상관관계를 갖고 바뀐다. PV/T = 일정


보일의 법칙 : 기체의 온도가 일정하면 PV=일정

샤를의 법칙 : 기체의 압력이 일정하면 V/T = 일정


19세기 초, 기체에 대한 법칙들을 기체는 무수히 많은 구성 입자(분자)들로 이뤄졌다는 가정에 의해 설명하는 시도. 당시 분자의 존재를 확실히 확인하지 못하였다. 기체에 대한 현상을 구성입자들의 운동으로 설명하려는 기체운동론.

기체운동론은 영국의 물리학자 맥스웰에 의해 획기적을 발전하였다. 


오스트리아 출신 볼츠만이 통계역학을 성장시켰다. 


기체는 수많은 구성입자들이 무질서하게 움직이는 계라고 가정

이상기체(구성입자의 크기가 0, 탄성충돌 외 상호작용이 없음)

이상기체의 상태방정식 PV=nRT


열물리

대상 : 열과 연관된 현상

방법 : 실험에 의해 규칙성 발견 (ex 보일-샤를 법칙)


통계물리

대상 : 수많은 입자로 구성된 열역학적 계

방법 : 뉴턴의 운동법칙을 적용하고 통계적 방법 사용 (ex. 이상기체 방정식)



내부에너지

열역학적 계의 구성입자들이 지닌 에너지의 합

이상기체의 내부에너지 E = (3/2)*N*k_b*T

실제기체의 내부에너지는 구성입자들의 운동에너지와 퍼텐셜에너지의 합. 

얼마인지 정확히 알 수 없지만, 내부 에너지의 증감은 알 수 있다.  



열역학적 계가 외부와 에너지를 교환하는 방법:

1. 압력이 P인 열역학적 계의 부피가 dV만큼 바뀌면, dW = PdV. 

W>0이면 내부에너지가 감소하고, W<0 이면 계의 내부에너지가 증가한다고 보통 정의한다. 


2. 열역학적 계를 더 높은 온도의 다른 열역학적 계와 접촉시키면, dQ=C*dT

Q>0이면 내부에너지가 증가하고, Q<0이면 계의 내부에너지가  감소한다고 보통 정의한다. 


물체의 열용량

물체의 온도를 dT만큼 올리는데 Q만큼의 열량이 필요하면, 열용량은 C = Q/dT

물체의 온도를 1 K 올리는데 필요한 열량. 



물질의 비열(고체와 액체)

단위질량당 열용량. c = C/m = Q/(m*dT) 

단위 몰(mole)의 물질당 비열을 몰비열이라고 한다. (참고. 아보가드로 수. 6.02214*10^23 mol^-1)

 

물질의 비열(기체)

고체의 비열은 물질마다 다르지만,

기체의 비열은 분자에 속한 원자의 수가 같으면 분자의 종류에 관계없이 모두 거의 같다. 

기체의 비열은 이상기체의 비열과 거의 같다. 


기체의 비열은 부피를 일정하게 유지하는 정적비열과 압력을 일정하게 유지하는 정압비열 

정압비열이 정적비열보다 크다.  



기체상수 R = N*k_B = 8.31 J/(mol*K)


Q = dK = W = (3/2)*n*R*dT + PdV =  (3/2)*n*R*dT + n*R*dT = (5/2)*n*R*dT

이상기체의 정압 몰비열 : c_p = Q / (n*dT) = (5/2)*R


표준상태(1기압, 섭씨 0도)에서 기체 1 mol의 부피는 22.4 L 이다. 







로버트 보일

아일랜드, 1627-1691 (참고. 아이작 뉴턴 1643~1727)

연금술의 영향을 받았으나, 현대 화학의 기초를 닦음.

1662년 현대적인 과학적 실험방법을 이용해 보일의 법칙을 끌어냄.


자크 샤를

프랑스, 1746-1823

샤를의 법칙은 1802년 게이-루샥이 처음 발표하였으나, 그가 발견의 공로는 샤를에게 돌렸다. 

1783년 최초로 수소를 채운 기구를 타고 하늘로 올라갔다. 


럼퍼드 백작(벤자민 톰슨)

영국, 1753~1814

미국에서 출생한 영국인으로 물리학자이자 발명가

미국 독립 전쟁에 영국군으로 참전

19세기 열역학의 혁신에 크게 기여한 물리학자


제임스

영국, 1818~1889

열과 일 사이의 관게를 실험으로 알아내어, 열역학 제1법칙의 기초를 제공하였다. 

일의 SI 단위로 그의 이름인 J(줄)이 이용된다.

켈빈 경이 절대온도를 수립할 때 함께 연구하였다. 

저항을 흐르는 전류가 발생시키는 열을 줄열이라고 부르고, 줄열을 계산하는 법칙을 줄의 법칙이라고 한다. 

줄은 1884년 


켈빈(Kelvin) 경

영국, 1824~1907

열역학 제1법칙과 제2법칙을 수립하는데 공이 큼

온도에 하한선이 있다는 것은 켈빈 경 이전에도 알려져 있었으나, 그것이 정확히 섭씨 영화 273.15도라고 밝혔으며, 절대온도의 단위로 그의 이름이 이용됨.

영국과 대륙을 잇는 전신 장치를 개발한 공로로 1866년에 빅토리아 여왕으로부터 기사 작위를 받고 1892년에는 열역학에 기여한 공로로 남작의 작위를 받음. 1907년 사망한 뒤 웨스트민스터 사원에 위치한 뉴턴의 묘지 옆에 묻힘.

정확하게 동작하는 나침판을 제작


제임스 맥스웰

영국 스코틀랜드, 1831-1879

전기학과 자기학을 통합하여 전자기학을 집대성하고 전자기파를 이론으로 예언함. 

전자기학 → 맥스웰 방정식 4개(전기장에 대한 가우스 법칙, 자기장에 대한 가우스 법칙, 자기장에 대한 암페어 법칙, 전기장과 자기장을 연결하는 패러데이 법칙) (참고. 역학 → 뉴턴의 운동법칙)

볼츠만과 함께 기체 운동론의 통계역학적인 수단인 맥스웰-볼츠만 분포를 수립함.
1861년 최초 천연색 사진술을 개발.
물리학에 가장 크게 기여한 인물 3명(17세기 뉴턴, 19세기 맥스웰, 20세기 아인슈타인)


 


참고

[1] 물리학1, 인하대학교 차동우 교수님 강의

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2016. 12. 15 작성