열역학 제1법칙

열역학이란 열과 역학적 에너지 사이의 관계를 말합니다. 역학적 에너지란 물체의 운동상태에 따른 운동에너지와 위치에 따른 위치에너지를 합한 것을 의미하구요. 열역학 법칙에는 제0법칙부터 제3법칙까지 있는데요. 열역학 제1법칙에 대해 살펴보겠습니다. 에너지란 무엇일까요? 에너지란 물리적인 일을 할 수 있는 능력을 의미합니다. 에너지의 종류에는 운동에너지, 위치에너지, 화학에너지 등이 있구요. 물질의 내부에너지도 있습니다. 이러한 에너지의 종류는 어떤 방법으로 일을 하느냐에 따라 여러 가지 다른 용어로 사용할 수 있습니다. 이 에너지는 새로 만들어지지도 않고 없어지지도 않습니다.

열역학 제1법칙은 열기관과 열의 이야기인데요. 만약 열기관에 열을 공급하면 어떤 일이 일어날까요? 제1법칙에 의하면 이 열은 다른 형태의 에너지로 바뀐다고 합니다. 예를 들면 주전자라는 열기관이 있습니다. 이 주전자에 물을 담아 가스레인지 위에 올리면 물이 끓고 주전자 뚜껑이 들썩거립니다. 가스레인지에 올리고 끓이면 열기관에 열을 공급한 셈입니다. 따라서 결과적으로 주전자에 열을 공급하니 뚜껑이 들썩거렸습니다. 이 들썩거림은 에너지이고 제1법칙이 성립한 것이지요.

열역학 제1법칙은 에너지보존의 법칙입니다. 물질이 받은 에너지는 다른 종류의 에너지로 바뀌지만 모든 에너지의 합은 변하지 않거든요. 운동에너지가 다른 종류의 에너지로 바뀌기도 하고 위치에너지가 다른 에너지로 바뀌기도 하지만 에너지의 총합은 그대로입니다.

열역학 제1법칙이 재미있는 것은 우리에게 세상에 공짜는 없다는 진리를 다시 한 번 알려주기 때문이지요. 우리가 우주에 열을 가하면 우리가 있는 이 우주의 내부 에너지는 그 열만큼 증가합니다. 외부에 열을 빼앗기면 그 만큼 에너지도 감소하지요.

열역학 제1법칙에는 가역과정과 비가역과정이라는 개념이 포함되어 있습니다. 어느 한쪽에서 다른 쪽으로 반응이 일어날 때 반대 방향으로도 반응이 일어난다는 것을 가역 과정이라고 하는데요.

한편 어느 한쪽으로만 일어나는 과정을 비가역 과정이라고 하는데요. 뜨거운 물과 차가운 물은 섞으면 뜨거운 물에서 차가운 물로만 이동하고 차가운 물에서 뜨거운 물로는 이동을 안 합니다. 이것이 바로 비가역 과정이지요. 자연에서 일어나는 대부분의 현상은 이 비가역 과정을 거칩니다. 시간은 미래로만 흐르고 역방향인 과거로는 흐르지 않듯이 말이지요. 물도 높은 곳에서 낮은 곳으로만 흐르구요.

열이 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로만 흐른다는 이 깨달음은 후일 열역학 제2법칙의 토대가 됩니다. 이것은 자연의 무질서라는 진리를 알게 해 주었고 우리 인류의 발전에 큰 공헌을 했지요.