일과 열의 관계 이해

질량 m인 물체가 마찰이 작용하는 거친 표면 위에서 운동하는 경우를 생각하자. 외부의 힘이 작용하지 않는다면 물체의 속도는 점차 감소하고 마침내 멈추게 된다. 물체의 운동에너지가 마찰로 인해 소비되기 때문이다. 즉, (운동에너지의 변화)=(마찰이 하는 일) ΔK = W ………… (4) 이다. 따라서 에너지와 일은 본질적으로 동일한 것임을 알 수 있다. 운동하는 물체와 접촉면 사이에 마찰이 작용하면 물체와 거친 표면이 어느 정도 따뜻해지는 것을 쉽게 경험할 수 있다. 그러므로, 식(4)에 따듯해짐(온도변화)를 나타내는 내부적인 변수를 포함시켜야 타당할 것이다. 이러한 내부적 에너지를 로 표현하면, 이 계의 일-에너지 변화 사이에는 다음의 관계가 성립한다. 즉, 초기 운동에너지의 일부분은 마찰에 대한 일로 나머지는 물체의 내부에너지 증가에 사용된다. ΔK = W + ΔU ………… (5) 그런데, 어느 정도 시간이 지나면, 물체는 식는다. 이것은 물체가 마찰에 대하여 운동할 때 발생한 내부 에너지가 열의 형태로 물체로부터 방출되기 때문이다. 어떤 계가 단열 상태에 있지 않고 주변으로부터 열을 주고 받는다면, 식(5)의 좌변에 를 더할 수 있다. ΔK + ΔQ = W + ΔU ………… (6) 식(6)은 마찰에 의해 발생하는 열과 일 사이의 관계에 주변으로부터의 열의 출입을 고려한 식이다. 만약 운동 에너지를 고려할 필요가 없다면, 식(6)은 열역학 제1법칙이 된다. ………… (7) 열역학 제 1법칙은 에너지 보존 법칙을 나타내며, 아울러 열과 일, 에너지가 본질적으로 동일한 것임을 나타낸다. 열과 에너지 사이의 관계를 실험적으로 밝힌 과학자는 줄(Joule)로서 1cal에 해당되는 열량은 4.186J의 에너지와 같음을 보였다. 이를 열의 일당량(J)라 한다. ………… (8) 열의 일당량 :