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공학 문제해결/열역학

【열역학】 일과 열의 출입 부호

안녕하세요. '일과 열의 출입 부호'에 대한 포스팅입니다. 저에게 질문한 것은 아니고 제가 가입된 카페에 올라왔던 글입니다.

[질문 내용]

일을 한다 일을 받는다 등등 열을 빼앗다, 필요로 한다 등등 이러한 말장난? 같은거 - + 어떻게 표시하나요... 매번 헷갈려서 질문합니다.

[질문 해설]

시스템에서 일과 열의 출입에 따라 결정되는 물리량의 부호가 헷갈려서 질문하신 것 같습니다.

[답변]

상세한 설명은 좀 더 아래에 있습니다.

일을 한다 = +W
일을 받는다 = -W

열을 받는다 = +Q
열을 빼앗긴다 = -Q

[설명]

그림을 보면서 이해하시는게 가장 편할 것 같습니다. 먼저, 아래의 그림과 같은 한 계(시스템:system)에서 "일"의 부호는 다음과 같습니다.

즉, 시스템이 외부로 일을 하면 + 부호가 되고
시스템이 외부로부터 일을 받으면 - 부호가 됩니다.

더 설명하자면, 시스템이 외부로 일을 하게되면, 자신의 에너지를 외부로 주는 것이기 때문에 양수개념이 되고
외부로 부터 일을 받게되면, 외부로부터 에너지를 흡수하기 때문에 음수개념이 됩니다.

그리고, "열"의 부호는 다음과 같습니다.

즉, 시스템이 외부로부터 열을 받으면 + 부호가 되고
시스템이 외부로 열을 방출하면(빼앗기면) - 부호가 됩니다.

더 설명하자면, 시스템이 열을 받게 되면, 에너지를 흡수하기 때문에 양수개념이 되고
열을 방출하게되면, 에너지를 내보내기 때문에 음수개념이 됩니다.

이제, 이 둘을 동시에 두고 보면 아래와 같은 그림이 됩니다. 이 그림을 최종적으로 머릿 속에 넣어두시면 좋을 것 같습니다.

일과 열을 한번에 같이보게되면 둘의 부호가 반대된다는 걸 보실 수 있습니다.
즉, 일은 시스템으로 들어오는 방향이면 - 부호인 반면, 열이 시스템으로 들어오게되면 + 부호가 됩니다.


[추가개념]

일 =  일은 어떤 물체에 일정한 힘을 가하여 움직이게 했을 때, 작용한 힘의 물체 운동 방향 성분의 크기와 물체가 움직인 거리의 곱을 말한다.  물리학에서 정의하는 일은 우리가 일상적으로 하는 일과는 다르다. 무거운 물체를 계속 들고 있으면 피로감을 느끼고 땀도 나서 일을 한다고 생각할 수가 있다. 이 경우 물체에 힘을 가하고는 있으나 물체가 움직이지 않았으므로 물체에 해준 물리학적인 일은 0이다. 하지만 생리학적 관점에서 보면 물체를 들고 있는 동안 지속적인 근육 수축이 일어나고 있어서 근육의 일부분에 일을 해주고 있는 셈이며, 결과적으로 피로감을 느끼게 되는 것이다.
[네이버 지식백과]  [Work] (물리학백과, 한국물리학회)

열 =  물체의 온도를 높이고 또 상태변화를 일으키는 역할을 하는 것을 말한다. 에너지의 일종으로 물리적으로는 물체가 가지는 내부에너지가 변할 때 그 변화량의 일부 또는 전부가 열로 방출된다. 일반적으로 물체의 내부에너지의 변화는 온도가 서로 다른 물체의 접촉, 물질의 화학변화, 전자기적 과정, 외부와 역학적인 일을 주고받는 과정에서 생긴다. 반대로 열을 다른 형태의 에너지로 바꿀 수도 있다. 이와 같은 에너지의 출입이나 전환을 이론적으로 취급하는 학문이 열역학이다.

[네이버 지식백과]  [heat, 熱] (산업안전대사전, 2004. 5. 10., 도서출판 골드)



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