열과 에너지 ② 열역학 2법칙과 열기관

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열과 에너지 ① 열역학 1법칙

학습 목표

열이 모두 일로 전환되지 않는다는 것을 사례를 들어 설명할 수 있다.

핵심 키워드 조직도

자동차 엔진 열화상 이미지

일정 거리를 운행한 자동차 엔진의 열화상 사진을 보면, 자동차 엔진에서 주변으로 손실되는 열이 많음을 알 수 있다. 연료가 가진 에너지(열)를 자동차를 움직이게 하는 에너지(일)로 모두 바꿀 수 없을까?

1. 열의 이동

온도가 다른 두 물체를 접촉하면 온도가 높은 물체는 온도가 낮아지고, 온도가 낮은 물체는 온도가 높아진다. 그러다가 시간이 충분히 지난 후 서로 온도가 같아지게 되는 열평형 상태에 도달하게 된다. 이런 일이 일어나는 이유는 열이 고온의 물체에서 저온의 물체로 스스로 이동하기 때문이다. 열평형 상태에 도달했다는 건 열의 이동이 균형을 이룬 상태라는 걸 의미한다.

2. 열기관

열기관의 구조

열기관의 위치가 고열원과 저열원 사이에 있음을 확인하라.

열은 앞에서 배웠듯이 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 이동하는 에너지다. 열기관은 이 흐름을 이용해서 열의 일부를 일로 전환한다.

 

이를 디테일하게 설명하자면 다음과 같다.

연료를 태웠을 때 나오는 열을 이용하여 열기관 내의 물이 수증기로 바뀌고(열 흡수), 이 수증기로 뭔가를 움직이게 하는 것이다.(열의 일부가 일로 전환) 이런 수증기와 같은 물질을 작동 물질이라고 하는데, 증기기관에는 수증기나 물이 해당되고, 자동차의 내연기관에는 공기와 연료의 혼합 기체가 이에 해당된다. 그리고 나서 일을 하고 난 작동 물질이 열을 바깥으로 방출하여(열 방출) 원래의 상태로 되돌아온다.

작동 물질의 순환 과정

열기관이 지속적으로 일을 하려면 작동 물질이 순환 과정을 거쳐야 한다. 즉, 열기관 내부의 작동 물질은 몇 단계의 열역학 과정을 거쳐서 원래의 상태로 되돌아온다.

 

①열기관의 열효율

열기관은 고열원에서 열을 흡수하여 외부에 W만큼의 일을 하고, 저열원으로 남은 열을 방출한다.

이때 열기관이 한 번의 순환 과정을 거치면 다시 원래의 상태로 되돌아오므로, 한 번의 순환 과정 동안 열기관의 내부 에너지는 변화가 없다. 위의 P-V 그래프를 확인하라.

 

 

따라서 열효율(투입 대비 산출)은 다음과 같다.

※인류 문명 패러다임 변곡점① 증기기관의 등장

뉴커먼의 증기기관을 실용성있게 개량한 와트의 증기기관

제임스 와트의 증기기관 개량으로 대두된 18세기 영국의 산업혁명은 불난 곳에 기름을 부은 것처럼 엄청난 속도로 인류의 삶을 변화시켰다.

물과 바람을 동력원으로 공장이 돌아갔던 과거에는 공장 입지에 명백한 한계가 있었다. 하지만 증기기관은 그러한 공장의 입지의 한계를 깨부쉈고 물과 바람이 아닌 수많은 노동력을 갖춘 어느 곳이든 건설될 수가 있었다.

도시화

도시에 공장이 들어서고 노동자들이 많이 필요해지면서 농촌 인구가 도시로 몰려들기 시작했다. 수요에 비해 공급이 많다 보니 공장 노동자들의 임금은 점점 떨어졌다.

게다가 기업가들은 임금을 줄이기 위해 여성이나 어린이까지 터무니없는 봉급을 주며 고용하기 시작했다.

갈수록 열악해지는 임금 노동자들의 상황은 사회문제를 불러일으키기도 했다. 이들로 하여금 스스로 기업가나 자본가와는 다른 부류에 속한 사람이라는 계급의식을 발현시키는 계기가 되었다. 

증기기관은 산업혁명을 넘어 영국을 중심으로 한 제국주의 시대가 본격적으로 열리는 데도 영향을 미쳤다. 유럽은 16세기부터 아프리카나 아시아 지역으로 진출해서 식민지 개척을 노렸다. 하지만 이 시기에는 아시아나 아프리카 내륙 지역으로의 침투가 거의 불가능했다. 바람이 있어야만 움직이는 범선을 타고서는 아시아나 아프리카 내륙지역으로 진출하기가 너무 까다로웠기 때문이다.

하지만 증기선은 내륙 침투를 가능하게 해주었다. 서양 세력은 증기선을 이용해서 강을 거슬러 올라 아프리카의 사막, 아시아의 정글 안으로 침투할 수 있었고 내륙에 위치한 주요 도시들을 직접 공격할 수 있었다. 19세기 제국주의 시대의 본격화에는 증기기관의 산물이 증기선이 있었다.

제국주의 만평

과학과 기술 발전의 산물인 '증기기관'은 산업혁명이라는 경제적인 변화뿐만 아니라 도시화, 노동자 계급의 형성, 제국주의 시대의 도래 등 다양한 영역에 영향을 미쳤다.

 

3. 열역학 2법칙

열효율이 100%인 열기관을 만들 수 있을까? 이론상은 가능하다.

열 Q2를 0으로 만들면 된다.

버려지는 열(Q2)을 0로 만들어서 투입한 열을 모두 일로 전환하겠다는 건 에너지 보존 법칙에도 위배되지 않는다. 그러나 P-V그래프를 통해 열기관이 일을 하기 위해서는 버려지는 열이 꼭 있어야 함을 알 수 있다.

 

열기관이 지속적으로 일하기 위해선 순환 과정을 거쳐야 한다.

(가) 그래프와 같이 처음 상태로 되돌아오면 한 일의 양이 0이 되어버린다. 그렇기 때문에 (나) 그래프처럼 면적이 생기는 순환 과정을 거쳐야 열기관이 의미 있는 일(W)을 할 수 있다.

검은색 선 과정은 전체적으로 보면 부피도 늘어나고 온도도 증가하고 있으니 열 Q1를 흡수하는 과정이다.

빨간색 선 과정은 전체적으로 보면 부피가 줄어들고 온도가 감소하고 있으니 열 Q2를 방출하는 과정이다.

 

이처럼 순환 과정을 거쳐 그래프 면적이 생기려면 어쩔 수 없이 열 Q2 를 방출해야 한다.

어쨌든 열기관이 순환 과정을 거쳐 일을 하기 위해서는 흡수한 열의 일부가 버려져야만 한다는 사실을 알겠다. 열기관에서는 버려지는 열이 저열원으로 이동한다. 그렇다면 버려지는 열이 저열원으로 가지 않고 자동으로 고열원으로 간다면 어떤가. 버려지는 열이 재활용된다면 얼마나 가상한가?!

하지만 이는 말도 안 되는 bullshit!!!

열은 여러분들도 알다시피 고온의 물체에서 저온의 물체로 스스로 이동한다. 하지만 저온의 물체에서 고온의 물체로 열이 스스로 이동할 수 없다. 뭔가 추가적인 일을 해주어야만 고온에서 저온으로 열이 이동한다. 열효율을 최대화하기위해 쓸데없는 일을 한다? 다이어트할 때 다이어트 콜라먹으면 괜찮다는 똥같은 소리랑 같은 맥락이다.

 

즉, 열효율 100%인 열기관은 열역학 1법칙을 위배하지 않아도 만들어질 수가 없다. 에너지가 보존되는 큰 틀 안에서의 에너지의 흐름에도 일련의 법칙이 정해져 있기 때문이고, 열역학 2법칙이 그 흐름 방향을 말해준다.

 

열역학 2법칙의 여러 가지 표현

①열은 자연스러운 이동 방향은 고온에서 저온으로

②열을 모두 일로 바꾸는 것은 불가능하다.

③열효율이 1인 열기관은 없다.

 

카르노 기관

같은 온도 사이에서 작동하는 열기관 중 열효율이 이론적으로 가능한 최댓값을 가지는 이상적인 열기관으로써 이상 기체를 작동 물질로 사용하는 열기관이다. 카르노 기관의 열효율은 다음과 같다.

 

저열원의 절대 온도가 0K 또는 고열원의 절대 온도가 ∞가 될 수 없으므로, 카르노 기관의 열효율은 1보다 작다. 실제 열기관은 마찰 등에 의한 열 손실이 발생하므로, 카르노 기관보다 열효율이 작다.

4. 기출문제 풀이

19년도 9월 모평 물리1 3번/ 정답률 78%

답: 5번

 

16년도 6월 모평 물리1 16번/ 정답률 64%

답: 3번