가역/비가역 과정에 대한 이해 검토 (Thermodynamics, Reversible process, Irreversible process, Balloon inflation, Gas laws, Energy transfer, Heat exchange, Entropy, Elastic energy, Mechanical work)

질문 요약

가역과 비가역 과정에 대해 공부하면서 몇 가지 사례를 생각해봤습니다. 제대로 이해했는지 확인 부탁드립니다. 1. 풍선에 바람을 불어넣을 때 이상기체 상태방정식 Pv=RT에 따르면, 풍선 내부의 압력과 부피가 증가하면 온도도 증가하므로 외부로 열이 전달된다고 생각해도 될까요? 2. 풍선에 바람을 불어넣는 과정은 입을 떼면 초기 상태로 돌아갈 수 있으므로 가역과정이라고 볼 수 있을까요? 3. 풍선에 바람을 불어넣을 때, 풍선 내부는 발열 과정을 거쳐 엔트로피가 감소하지만 주변 공기를 포함하면 전체적으로 엔트로피가 증가한다고 볼 수 있을까요?

답변 요약

자신만의 생각으로 고민해보는 모습이 좋습니다. 하지만 1번 질문에서 논리에 비약이 있습니다. 이상기체 상태방정식에 따라 풍선에 바람을 불어넣으면 압력과 부피가 증가해 온도가 증가한다고 했지만, 열역학 1법칙(dE=Q-W)을 적용하면 시스템에 일을 가하면서 동시에 시스템도 외부로 일을 해 에너지 변화가 상쇄됩니다. 즉, 내부에너지 변화가 없다고 보는 것이 맞습니다. 이는 시스템이 바람을 받아 팽창해 외부로 일을 하면서 일의 에너지가 상쇄되기 때문입니다. 이러한 내용을 복습해보면 좋겠습니다. 더 이해를 돕기 위해 아래 링크를 참고하세요. - 강의 영상 링크: https://youtu.be/uYU05thVE1c - 추가 참고 링크: https://godjunpyo.com/폴리트로픽-과정에서의-열역학-1법칙/

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가역/비가역 과정에 대한 이해 검토

가역과 비가역 과정에 대해 공부하면서 몇 가지 사례를 생각해봤습니다. 이에 대한 이해를 확인받고자 합니다.

1. 풍선에 바람을 불어넣을 때 이상기체 상태방정식 \( Pv = RT \)에 따르면, 풍선 내부의 압력과 부피가 증가하면 온도도 증가하므로 외부로 열이 전달된다고 생각해도 될까요?

2. 풍선에 바람을 불어넣는 과정은 입을 떼면 초기 상태로 돌아갈 수 있으므로 가역과정이라고 볼 수 있을까요?

3. 풍선에 바람을 불어넣을 때, 풍선 내부는 발열 과정을 거쳐 엔트로피가 감소하지만 주변 공기를 포함하면 전체적으로 엔트로피가 증가한다고 볼 수 있을까요?

답변

자신만의 생각으로 고민해보는 모습이 좋습니다. 하지만 몇 가지 부분에서 논리적 비약이 있습니다. 아래에서 각각의 질문에 대해 상세히 설명해 드리겠습니다.

1. 이상기체 상태방정식과 열역학 1법칙

이상기체 상태방정식 \( Pv = RT \)에 따르면, 압력 \( P \)와 부피 \( V \)가 증가하면 온도 \( T \)도 증가합니다. 하지만 풍선에 바람을 불어넣는 과정은 단순히 이상기체 상태방정식만으로 설명할 수 없습니다. 열역학 제1법칙인 \( dE = Q - W \)를 적용해야 합니다.

여기서 dE는 시스템의 내부 에너지 변화, Q는 시스템에 들어온 열, W는 시스템이 한 일입니다. 풍선에 바람을 불어넣는 과정에서 시스템에 일을 가하며, 시스템도 외부로 일을 합니다. 이 두 에너지가 상쇄되어 내부 에너지 변화가 없는 것으로 봅니다.

따라서 풍선 내부의 온도가 증가한다고 해서 반드시 외부로 열이 전달된다고 볼 수는 없습니다. 이는 시스템이 바람을 받아 팽창하면서 외부로 일을 하여 일의 에너지가 상쇄되기 때문입니다.

2. 가역과정과 비가역과정

가역과정은 시스템이 초기 상태로 되돌아갈 때, 주변 환경에도 아무런 변화가 없는 과정을 말합니다. 풍선에 바람을 불어넣는 과정에서 입을 떼면 바람이 빠져 초기 상태로 돌아가는 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 실제로는 주변 공기와의 상호작용 때문에 초기 상태로 완전히 돌아갈 수 없습니다. 이는 비가역 과정으로 볼 수 있습니다.

3. 엔트로피 변화

풍선에 바람을 불어넣을 때 풍선 내부의 시스템은 발열 과정을 겪습니다. 이는 엔트로피가 감소하는 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 열역학 제2법칙에 따르면, 전체 시스템의 엔트로피는 항상 증가합니다.

풍선 내부의 엔트로피가 감소하더라도, 주변 공기를 포함한 전체 시스템의 엔트로피는 증가합니다. 이는 에너지가 분산되고 불균형 상태로 변환되기 때문입니다.

따라서 풍선 내부의 엔트로피 감소만 고려할 것이 아니라 전체 시스템의 엔트로피 변화를 고려해야 합니다.

결론

풍선에 바람을 불어넣는 과정은 단순히 이상기체 상태방정식으로만 설명할 수 없습니다. 열역학 제1법칙과 제2법칙을 함께 고려해야 합니다. 또한, 가역과정과 비가역과정에 대해서도 더 깊이 있는 이해가 필요합니다.

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