열역학은 무엇을 계로 볼지 경계를 먼저 긋고, 그 안의 상태를 상태량으로 적는다. 경계를 넘는 질량이 없으면 밀폐계, 질량이 드나들면 개방계이고, 열과 일은 두 계 모두에서 경계를 지나는 에너지이다. 그림은 계 경계 상자와 들어오는 열 Q, 나가는 일 W 화살표이고, 밀폐계 · 개방계 버튼은 위아래 질량 화살표를 켜고 끈다. 열 Q 와 일 W 슬라이더를 움직이면 상자 안의 에너지 수지(밀폐계는 ΔU = Q − W, 정상 유동 개방계는 Q − W = 엔탈피 차)가 함께 바뀐다.
계를 나누면 상태량이 보인다
상태량은 한 순간의 계를 적는 값(압력 · 온도 · 비체적 · 내부에너지 · 엔탈피 · 엔트로피)이고, 과정은 한 상태에서 다른 상태로 가는 길, 사이클은 처음 상태로 돌아오는 과정의 고리다. 열과 일은 상태량이 아니라 과정에서 주고받는 양이라, 같은 두 상태 사이라도 지나는 길에 따라 값이 달라진다.
👀 먼저 정해 둘 말
①계와 주위, 경계
②상태량: 한 순간의 값
③과정: 상태 변화의 경로
④사이클: 처음 상태로 돌아오는 과정 묶음
밀폐계와 개방계 바꾸기
40 kJ
25 kJ
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밀폐계: 질량 출입 0. 개방계: 질량이 경계를 지난다. Q · W 는 에너지.
계 경계 상자. 열은 왼쪽으로 들어오고 일은 오른쪽으로 나가며, 개방계에서는 위아래로 질량이 드나든다
💡 지금 경계에서 읽는 것
①지금 계는 밀폐
②열 Q = 40 kJ, 일 W = 25 kJ
③개방계일 때만 질량 화살표가 생긴다
④밀폐계 상자 안 ΔU = Q − W 는 계가 받은 열에서 계가 한 일을 뺀 값이다
과정이 모이면 사이클이 된다
제1법칙 밀폐계
ΔU = Q - W
부호 약속: Q 는 계가 받은 열, W 는 계가 한 일
📏 단위계
①SI 는 질량 kg · 길이 m · 시간 s 를 기본으로 두고 힘 N = kg·m/s² 을 유도한다
②SI 에서 일은 J, 동력은 W = J/s 이고, 공학단위의 힘 1 kgf 는 약 9.8 N
③온도는 상태량이고, 온도 차는 ℃ 와 K 가 같다
④온도의 비나 곱이 들어가는 식(이상기체 · 카르노 효율)에는 절대온도 K 를 넣는다
시험 포인트와 기출 유형
🎯 시험 포인트
①기본개념 = 상태량 · 과정과 사이클 · 용어와 단위계
②밀폐계는 질량 출입 없음, 개방계는 있음
③열과 일은 경로에 따라 달라지는 과정량
④사이클은 처음 상태로 돌아온다
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 밀폐계와 개방계의 차이는? (답: 경계를 지나는 질량의 유무)
②[기출유형] 상태량과 과정량의 차이는? (답: 상태량은 한 순간의 값, 열 · 일은 경로에 따라 달라진다)