일과 열

일은 힘 F에 움직인 거리 d를 곱해서 얻을 수 있다.
w = Fd

열역하에서 일은 넓은 의미로 기계적 일(예를 들면, 크레인으로 강철빔을 들어 올리는 것), 전기적 일(회중 전등의 전구를 켜기 위해서 전지에서 전자를 공급하는 것), 표면 일(비누 거품을 터뜨리는 것) 등을 말한다.

 

여기에서는 기계적 일을 논의하고, 다음에는 전기적 일의 성질을 논의할 것이다.

기계적 일의 좋은 예는 기체의 팽창이나 압축이다. 

화학 반응이나 생물학적 반응의 많은 예에서 기체의 부피 변화가 수반된다.

공기를 들이 쉬거나 내쉬는 것도 폐포라는 작은 주머니가 늘어나거나 수축하는 것이다.

다른 예로 자동차의 내부 연소 엔진을 들 수 있다.

자동차 의 동력은 가솔린과 공기의 혼합물이 연소되어 실린더가 연속적으로 팽창하거나 수축함으로써 제공되는 것이다.

그림 6.4를 보면 특정 온도, 압력, 부피에서 무게가 없고 마찰 없이 움직이는 피스톤이 있는 실린더에 기체가 채워져 있다.

기체가 팽창하면, 일정한 외부 대기압 P 에 대해서 피스톤을 밀어올리게 된다.

이 때 기체가 주위에 한 일은 다음과 같이 주어진다.

여기서 △V는 변화한 부피로서 VF - V로 주어진다.

식 (6.3)에서 음의 부호는 w에 대하여 관례적으로 쓴 것이다.

기체가 팽창(계가 일을 함)하여 △V > 0이 되면 - P△V는 음의 값이 된다.

기체가 압축되어(계에 일을 하는 경우) △V < 0 이고 - P△V가 양의 값을 가진다.

압력 X 부피라는 사실로부터 식 (6.3)은 (힘/면적) X 부피로 표현할 수 있다. 즉,

여기서 F는 거스르는 힘이고 d는 길이, 은 면적, 은 부피의 차원을 가진다. 

그러므로 압력과 부피의 곱은 힘과 거리의 곱과 같고, 이것은 결국 일과 같다.

부피 변화(AV)로 인한 일은 외부에서 거스르는 압력(P)의 크기에 따라 다르다.

 

만약 압력이 0이면(즉, 기체가 진공에 대해서 팽창한다면), 계가 행한 일은 0이어야 한다.

만일 P가 0이 아닌 양의 값을 가지면 계가 행한 일은 - P△V로 주어진다.

식 (6.3)에 의하면, 기체가 행한 일의 단위는 L ˙atm이 된다. 보다 친숙한 줄(J, Joule)의 단위로 일을 표현하려면, 다음과 같은 변환 인자를 사용한다.

그림6.4 일정한 외부 압력(예를 들면, 대기압)에 대해서 기체가 팽창한다. 기체는 무게가 없고, 움직일 수 있는 피스톤으로 막힌 실린더에 채워져 있다.