공조냉동 설비를 유지 및 관리 업무를 수행하는 기술자나 관리자라면 열역학 법칙에 대한 이해는 필수입니다. 해당 열역학 법칙을 이해해야 유체의 온도에 따른 상태 변화, 냉동 사이클 등에 대한 이해를 할 수 있기 때문에 냉동공학에서 가장 중요한 기본 개념입니다. 본 글에서는 열역학 제0법칙부터 제3법칙에 대해 설명하겠습니다.
열역학 제0법칙 – 온도 평형의 원리 이해
열역학 제0법칙은 열적평형 상태를 설명하는 법칙입니다. 이 법칙은 세 시스템 A, B, C가 있을 때, A가 B와 열적 평형 상태이고 B가 C와 열적 평형 상태라면, A도 C와 열적 평형 상태라는 원리입니다. 이 개념은 온도가 서로 다른 물체를 접촉시키면 높은 온도를 지닌 물체는 온도가 내려가는 열방출 현상, 낮은 온도의 물체는 온도가 올라가는 열흡수 현상을 띄게 됩니다. 이러한 현상은 충분한 시간이 지난다면 두 물체 사이에는 온도차가 없어지면서 두물체의 온도가 같아지는 열평상태에 도달하는 현상을 설명하는 법칙입니다. 열역학 제 0법칙은 열평형 법칙이라고도 하며 온도계의 원리를 제시한 법칙입니다.
열역학 제1법칙 – 에너지 보존 법칙
열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙이 성립함을 표현하는 법칙으로 열과 일은 본질적으로 같은 에너지의 일종이며 이는 서로 전환이 가능하다는 것을 설명합니다. 열과 일 사이에는 일정한 비례관계가 성립합니다. 이는 시스템 내부에서 에너지는 생성되거나 소멸되지 않고 단지 다른 형태로 전환될 뿐이라는 개념입니다. SI단위에서는 일과 열 모두를 kJ의 단위로 표시하고 공학단위에는 일과 열의 단위를 다르게 표시합니다. 이러한 이유로 공학단위에서는 이를 표현하기 위해 일정한
환산 계수가 필요합니다. 이때 중요한 개념 중의 하나가 내부에너지에 대한 설명인데 어떤계에서 외부에서 일이나 열을 가할때 해당 계가 열을 방출하지 않거나 일을 하지 않는다면 해당 에너지는 그 계의 내부에너지로서 저장됩니다. 내부 에너지는 총 에너지에서 기계적에너지(일)를 뺀 것을 나타냅니다.
열역학 제2법칙 – 엔트로피와 효율성 한계
제2법칙은 에너지의 방향성과 엔트로피의 개념을 다룹니다. 간단히 말해자면 모든 자연계의 에너지 전달은 일정한 방향을 가지고 이 과정에서 엔트로피(무질서도)는 증가하게 됩니다. 이는 열역학 제 1법칙은 열과 일의 수량적 관계를 표현한 것이고 열역학 제 2법칙은 열과 일의 변환에 대한 방향성을 제시한 방법입니다. 열역학 제 2법칙에 대한 다른 표현으로는 캘빈-프랭클린의 표현과 클라시우스의 표현이 있습니다. 특히 해당 법칙으로 열효율 및 냉동기의 성적계수 등을 설명하는 법칙입니다. 열과 일을 변환과정을 설명하기 위해서는 엔트로피에 대한 개념을 설명해야합니다. 엔트로피는 에너지도 아니고 온도 등과 같이 측정이 불가한 물리학상의 가상적인 상태량입니다. 엔트로피는 시스템에 열을 가하면 증가하고 시스템을 냉각시키면 감소하는 가상의 양으로 엔트로피의 정의식은 가열량을 가열할 때의 온도로 나눈 값입니다. 손 쉽게 이해하시게 설명을 다시 하자면 시스템의 열을 가하면 그 시스템의 무질서도가 커지고 이는 엔트로피의 증가를 의미합니다. 반대로 시스템을 냉각하면 무질서도가 감소하고 이는 엔트로피의 감소라는 의미와 동일합니다.
열역학 제3법칙 – 절대영도와 시스템 한계
제3법칙을 설명하는 방식은 두가지 입니다. 첫번째로는 어떤 방법으로든 물체의 온도를 절대영도까지 내릴수 없다는 것입니다. 이는 네른스트의 표현이라고도 합니다. 두번째 설명방법은 온도가 절대영도(−273.15℃)에 가까워질수록 시스템의 엔트로피가 0에 수렴한다는 법칙입니다. 해당 설명은 플랭크의 표현이라고도 하며 두 설명 모두 어떠한 물체도 절대 영도에 도달할 수 없다는 것을 표현합니다. 해당 법칙은 사실은 냉동공학에서는 자주 사용되는 법칙은 아닙니다. 다만, 수행하시는 업무가 극초저온의 환경을 유지해야하는 실험실 혹은 그와 유사한 산업현장에서 근무하시는 분에게는 중요한 항목이 될 수 있습니다. 이번 글에서는 열역학 법칙에 대해 자세하게 알아보았는데 열역학 법칙은 공조냉동 업무를 수행하는 관리자들이 각 냉동 사이클, 냉동공학의 전반적 이해를 위해서는 필수적으로 숙지하셔야 하는 항목이며 해당 내용을 잘 숙지하신다면 추후 공조냉동기계기사, 일반기계기사 등의 자격증 시험에서도 좋은 결과를 낼 수 있으니 충분한 학습을 하시길 바랍니다.