열역학 제 0법칙(Zeroth Law of Thermodynamics) 이란?

*목차*

1. 열역학 제 0법칙(Zeroth law of thermodynamics) - 열적 평형 상태

반도체 분야에서 일하면서

'열유체역학'에 대해 알면 좋겠구나 싶더라고요.

(대학 수업에서 열유체역학을 제대로 공부 안 한 것이 후회되네요;;;;)

반도체 공정을 공부해보니

대부분이 Gas, 열, 냉각, 진공 등

열과 유체를 다루는데요.

그래서 열역학 법칙에 대해 찾아보니

보통 4가지가 나오는데요. 제 0, 1, 2, 3법칙

추가로 제 4법칙도 나오네요.

이번 포스팅에서는

'열역학 법칙'에 대해 정리해 보았어요.

그 중에 '열역학 제 0법칙(Zeroth law of thermodynamics) - 열적 평형상태'에 대해서

정리해 봤어요.

이후에 제 1, 2, 3, 4법칙에 대해서도 정리해 볼 예정이에요.

1. 열역학 제 0법칙(Zeroth law of thermodynamics)
- 열적 평형 상태

-. '열역학 제 0법칙(Zeroth law of thermodynamics)'는

'열적 평형 상태'를 설명하는 법칙이에요.

A, B, C 총 3가지 계(System)가 존재할 때,

A와 B 계가 열정 평형 상태를 이루고, B와 C 계가 열적 평형 상태를 이룬다면

A와 C 계도 열적 평형 상태에 있다는 법칙이에요.

제 0법칙은 다른 1, 2, 3법칙 이후에 확립이 되었어요.

당연한 것 같은 내용이지만

열적 평형 상태, 열 평형(Thermal Equilibrium)을 서술하는 제 0법칙은

계의 상태, 크기 상관없는 하나의 열역학적 개념인

'온도(Temperature)'라는 특성을 설명해주는 법칙이에요.

그 중요성이 나중에 인정되면서 제 0법칙으로 되었다네요.

그럼 '열적 평형 상태' 즉, '열 평형(Thermal Equilibrium)'에 대해 정리해봤어요.

A와 B 계가 열 평형 상태라는 것은

'각 계의 내부와 외부에 열의 이동이 없는 상태'를 말해요.

즉, 온도(Temperature)가 같다는 말이죠.

쉽게 말하면

뜨거운 A 물체와 차가운 B 물체가 접촉한다면

뜨거운 물체는 열을 방출하고 차가운 물체는 열을 흡입하면서

뜨거운 물체에서 차가운 물체 방향으로 열이 이동할 거에요.

이는 열평형의 상태가 아니에요...

근데 시간이 계속 경과하면서 두 물체 사이에 열이 계속 이동하다가

뜨거웠던 A 물체는 온도가 내려가고, 차가웠던 B 물체는 온도가 올라가면서

두 물체는 특정 온도에 함께 도달해요.

온도가 같아진 A와 B 물체는 열의 이동과 온도 변화가 없어져요.

이러한 상태를 '열 평형 상태'라고 해요.

제 0법칙에서 주의할 점은

"열적 평형 상태" ≠ "열에너지 양의 평형 상태"

즉, 물체가 갖고 있는 열에너지 양의 많고 적음으로 열이 이동하는 것이 아니라

온도가 높고 낮음으로 열이 이동한다는 것이에요.

물체마다 '열 용량(Heat Capacity)'이 다르기 때문에

동일 온도라도 물체마다 갖고 있는 열에너지 양이 다르죠.

> 열에너지 양이 다르더라도 온도가 같으면 열의 이동(열에너지의 흐름)은 없어요.

> 반대로, 온도가 다르면 열에너지 양이 같더라도 열의 이동(열에너지의 흐름)이 발생해요.

*열 용량(Heat Capacity) 

: 어떤 물체의 온도를 1K 올리기 위해 필요한 에너지의 양, (열용량 = 질량 x 비열)

* 비열(Specific Heat)

: 어떤 물체의 단위 질량 당 단위 온도 만큼 필요한 에너지의 양, 보통 어떤 물질 1g을 1K 올리는데 필요한 열량.

* 열 에너지(Thermal Energy)

: 비열 x 질량 x 온도변화

열 평형(Thermal Equilibrium)은

열에너지 흐름이 없다는 말이지만, 열에너지 양이 같다는 말이 아니에요.

보통 물질은 고밀도에서 저밀도로 이동이 일반적인 사고지만

열역학을 생각할 때는 다르게 생각할 필요가 있네요.

다음에는 '열역학 제 1법칙'에 대해서 공부하고 정리해 볼게요.

**공부하면서 정리해봤는데 오류가 있으면 댓글로 알려주세요.