온도온도의 개념과 정의

온도의 개념

+ 우리의 경험에서 비롯된 뜨겁고 차가움의 정도

+ 자발적으로 에너지를 밖으로 배출하려고 하는 성질의 정도

+ 국제 단위 : K(캘빈), 물의 삼중점의 열역학적 온도의 1/273.16으로 정의


온도의 정의

일반적인 정의

정해진 온도의 기준에 의하여 만들어진 온도계에서 측정되는 값

- 열역학 제 0법칙에 따라 온도 개념에 비추어 보면 외부에 접촉한 계와 상관없이 독립적인 물리량으로 존재합니다.

- 따라서 기준이 되는 계를 몇 가지 정해서 절대 온도나 섭씨 온도로 기준계를 만들면 어디서든지 지시하는 값이 정의됩니다.


일반적인 정의가 갖는 성질

1. 온도가 다른 물체를 열 교환이 일어날 수 있도록 접촉시켰을 때 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 자발적으로 열이 

흐르게 됩니다.

2. 두 물체가 충분한 열 교환을 통해서 열 평형에 이르렀을 때 두 물체의 온도는 같게 됩니다.


일반정의의 문제점

1. 애매모호한 문제

온도의 일반적 정의는 절대적 물리량으로서의 온도의 존재성을 보장하는 열역학 제 0법칙 "어떤 계 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형상태에 있다."을 근본적으로 설명하지 못합니다.

즉, 일반적인 정의의 온도는 열역학 제 0법칙에 기초해야합니다. (반면 뒤에 열역학적 정의는 열역학 제 0법칙과 아무런 관련이 없으며, 열역학적 정의는 오히려 열역학 제 0법칙을 증명할 수 있습니다)


2. 일반적인 온도를 정의함에 있어서 온도의 상대적인 높낮음을 통해서 온도의 기준을 정의하였는데, 그 기준에 물리적인 의미를 부여할 수 없습니다. 즉 일반적인 온도의 온도기준은 온도의 상대적인 높낮음에 순서를 나타낼 뿐 물리적인 의미를 가지지 않습니다.


열역학적 정의

에너지를 엔트로피로 편 미분한 값

내부적으로 열 평형 상태에 이른 물리적 계의 열역학적 온도

열역학적 방정식을 이용해 정해지는 온도 

엔트로핀은 무엇일까?

+ 열역학적 계의 유용하지 않은(일로 변환할 수 없는) 에너지의 흐름을 설명할 때 이용되는 상태 함수

+ 물질의 열적 상태를 나타내는 물리량의 하나

  - 엔트로피가 낮다 : 전환할 수 있는 일의 양이 많음

  - 사용해버린 에너지 : 엔트로피가 높은 상태


열역학 법칙

  • 제 0법칙(열역학적 평형) : 어떤 계의 물체 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형상태에 있다.
  • 제1법칙(에너지 보존 법칙) : 고립계의 에너지 총합은 일정하다.
  • 제2법칙(방향의 법칙) : 고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다
  • 제3법칙(네른스트-플랑크 정리) : 절대영도에서 엔트로피는 상수가 된다.
  • 제4법칙(온사게르 상반정리)


열역학적 정의와 일반적인 정의의 관계

+ 온도의 열역학적 정의는 일반적인 정의가 보장하는 다음과 같은 사실들을 잘 보장합니다.

  - 온도가 다른 물체를 열 교환이 일어날 수 있도록 접촉시켰을 때 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 자발적으로 열이 흐르게 됩니다.

  - 두 물체가 충분한 열 교환을 통해서 열 평형에 이르렀을 때 두 물체의 온도는 같게 됩니다.

+ 내부적으로 열 평형 상태에 있는 두 계 A, B가 접촉되어 있다고 가정

+ 각 계가 가지고 있는 에너지를 Ua, Ub 라고 하였을 때 계 B로부터 계 A로 미소 에너지 흐름 dQ가 발생했을 때 dUa, dUb, dStotal 은 하기와 같음

위 식은 두 계가 열 평형에 있을 때 두 계의 온도는 같다는 것을 의미합니다. 

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