열역학 제1법칙

열역학 제1법칙(The first law of thermodynamics)은 에너지 보존 법칙에 기초하며, 에너지는 한 형태에서 다른 형태의 에너지로 전환될 수 있지만, 만들어지거나 파괴될 수 없다는 것을 말한다.

 

이것을 어떤 방법으로 알았을까?

만약 우주의 전체 에너지량을 결정해야만 알 수 있다면, 열역학 제1법칙을 증명한다는 것은 불가능할 것이다.

철 1g에 포함된 전체 에너지를 조성하는 것조차도 매우 어려운 일이다.

다행히도 한 과정의 초기 상태와 최종 상태에서 계의 내부 에너지 변화만을 측정하여 열역학 제1법칙의 타당성을 시험할 수 있다.

 

내부 에너지 변화 △U는 다음과 같이 주어진다.

여기서 Ui와 Uf는 각각 초기 상태와 최종 상태의 계의 내부 에너지이다.

계의 내부 에너지는 두 가지 구성 요소를 가진다. 

즉, 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지이다. 

운동 에너지는 여러 종류의 분자 움직임과 분자 내 전자들의 운동으로 구성된다. 

퍼텐셜 에너지는 각 분자에 있는 전자와 핵 사이의 인력, 전자들 사이의 반발력, 핵들 사이의 반발력, 분자들 사이의 상호작용에 의하여 결정된다.

 

이 모든 성분들이 에너지에 기여하는 정도를 정확하게 측정한다는 것은 불가능하므로 계의 전체 에너지를 정확하게 계산할 수 없다.

하지만, 에너지의 변화는 실험적으로 구할 수 있다.

황 1 mol과 산소 기체 1 mol이 반응하여 이산화황 1 mol을 생성하는 반응을 생각해 보자.

S(s) + O2(g)→ SO2(g)

이 경우, 계는 반응물 분자인 S와 O(초기 상태)와 생성물 분자인 SO, (최종 상태)로 구성된다.

이 계에서 반응물이나 생성물이 가진 내부 에너지는 알 수 없지만, 에너지의 변화(AU)는 정확하게 측정할 수 있는데, 다음 식으로 주어진다.

이 반응이 열을 방출한다는 것을 관찰하였다. 

따라서, 생성물의 에너지는 반응물의 에너지보다 작으며,  △U는 음의 값을 가진다.

황은 공기 중에서 타서 SO2를 만든다.

위 반응에서 열을 방출한다는 것은 반응물에 포함된 화학 에너지 일부가 열 에너지로 전환되었다는 것을 의미한다고 해석하며, 반응물로부터 주위로 에너지가 이동되어도 우주 전체의 에너지 변화는 0이 되어야 한다.