열역학 실전 문풀 6강과 개방계에서의 내부에너지 변화에 대한 궁금증 (open system, closed system, first law of thermodynamics, principle of energy conservation, internal energy, enthalpy, control volume (CV))

질문 요약

열역학 실전 문풀 6강에서 개방계로 시스템을 설정하고 내부에너지의 변화가 발생하는데, 처음에는 에너지식을 개방계로 바라봤는데 어떻게 내부에너지가 생기는 건가요?

답변 요약

개방계와 밀폐계에서 열역학 제1법칙을 적용할 때는 에너지 보존의 원리를 고려하여 문제의 조건에 따라 내부에너지 또는 엔탈피를 사용합니다. 문제의 상황이나 온도 변화에 따라 편리한 변수를 선택해 계산하면 됩니다. 특정 문제에서 개방계인데 내부에너지를 사용하는 경우는 제어용량(CV) 내에서의 에너지 변화를 쉽게 계산하기 위해서일 수 있습니다. 아래 링크는 밀폐계와 개방계에 대한 추가적인 정보가 들어있으므로 참고하시길 바랍니다. 링크 1: https://godjunpyo.com/밀폐계에서-엔탈피-식은-사용이-가능한가/ 링크 2: https://godjunpyo.com/열역학-과열증기-판단-밀폐계-피스톤-스프링/ 링크 3: https://godjunpyo.com/열역학/?uid=344&mod=document&pageid=1#kboard-comments-344 링크 4: https://godjunpyo.com/피스톤-응용문제스프링이-있는-상태에서-냉각되었/ 링크 5: https://godjunpyo.com/밸브가-달린-피스톤은-밀폐계-개방계/

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열역학 실전 문풀 6강과 개방계에서의 내부에너지 변화에 대한 궁금증 해결

열역학 문제를 풀다 보면, 에너지 보존의 원리에 따른 계(system)의 에너지 변화를 계산하는 것은 매우 중요한 과정입니다. 특히, 계가 개방계인지 밀폐계인지에 따라 사용하는 에너지 형태가 달라질 수 있으며, 이것은 문제 해결에 있어서 중요한 단서가 됩니다. 질문자분께서 언급하신 열역학 실전 문풀 6강마지막 문제에서 개방계를 가정하고 내부에너지 변화를 소개한 부분에 대해 궁금증이 생기셨다고 하셨습니다. 이에 대해 설명드리겠습니다.

개방계에서는 물질의 유입과 유출이 있기 때문에, 이에 따른 에너지 변화를 고려해야 합니다. 일반적으로 열역학 제 1법칙은 에너지 보존의 원리에 근거하여 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

1. 내부에너지 변화 (∆U): 계의 에너지 변화량을 나타냅니다.
2. 열(Q): 외부로부터 들어오거나 계에서 나가는 에너지의 형태입니다.
3. 일(W): 계에 행해지거나 계에서 행하는 일입니다.

따라서, 개방계에서의 에너지 평형식은 다음과 같습니다.

∆U = Q - W + ∑(입력되는 물질의 에너지) - ∑(출력되는 물질의 에너지)

여기서 주의할 점은, 개방계에서 내부에너지 변화는 물질의 유입과 유출에 따른 에너지 변화를 포함한다는 것입니다. 강의에서 언급한 내부에너지 변화는, 위치 에너지나 운동 에너지와 같은 다른 형태의 에너지 변화가 무시될 수 있는 상황을 가정할 때 나타납니다. 이 경우, 내부에너지 변화는 주로 온도 변화에 의한 것으로 볼 수 있습니다.

질문자분께서 공유해주신 문제의 경우, 위치 에너지나 운동 에너지와 같은 추가적인 에너지 변화가 고려되지 않았기 때문에, 내부에너지 변화만을 고려하여 에너지 평형식을 적용한 것으로 보입니다. 이는 문제의 조건과 주어진 상황에 따라 가장 효율적이고 적절한 변수를 선택하여 계산하는 것을 의미합니다.

아래에는 개방계와 밀폐계에 관련된 추가적인 정보를 제공하는 링크를 몇 개 첨부하였습니다. 이를 통해 보다 자세한 개념 이해와 문제 해결 능력을 향상시킬 수 있을 것입니다.

• 밀폐계에서 엔탈피 식은 사용이 가능한가?
• 열역학 과열증기 판단 및 밀폐계 피스톤 스프링
• 열역학 제 1법칙 상세 해설
• 피스톤 응용문제: 스프링이 있는 상태에서 냉각되었을 때
• 밸브가 달린 피스톤: 밀폐계인가 개방계인가?

개방계와 밀폐계의 차이점과 각 상황에서의 열역학 제1법칙의 적용 방법을 이해하면, 열역학 문제 해결에 있어서 훨씬 더 명확한 접근이 가능해질 것입니다.

질문해주셔서 감사합니다. 추가 질문이 있으시면 언제든지 문의해 주세요.

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