에너지의 개념 및 내부에너지에 대한 이해

내부에너지의 변화과정

에너지의 개념

열역학에서 매우 중요한 개념 가운데 하나가 에너지이다. 에너지는 질량이나 힘과 같은 기본 개념이다. 그러한 개념의 경우에 정의하기가 매우 어렵다. 에너지는 효과를 유발할 수 있는 능력이라고 정의하였다. 다행히 에너지라는 낱말과 이 말이 나타내는 기본적인 개념은 일상생활에서 우리에게 익숙하며, 이 시점에서 에너지의 엄밀한 정의는 중요하지 않다. 에너지는 계 안에 저장될 수 있고(예를 들어 열과 같이), 한 계에서 다른 계로 전달될 수 있다. 만약 통계 열역학을 공부하게 된다면 에너지가 저장되는 방식을 이해하는 것이 도움이 되기 때문에 여기서 간단히 소개한다. 압력 용기나 탱크 안에 주어진 온도 압력으로 저장되어 있는 기체를 계로 생각해보자. 분자 관점에서 생각하면 세 가지 일반적인 형태의 에너지를 확인할 수 있다. 1. 분자 사이에 작용하는 힘과 관련된 분자 위치에너지 2. 분자의 병진운동과 관련된 분자 운동에너지 3. 분자 구조와 원자 구조 및 이와 관계된 힘과 관련된 분자 내부에너지 첫번째 형태인 분자 위치에너지는 임의의 순간에 분자간의 힘의 크기와 분자 상호간의 위치에 따라 변한다. 이 에너지의 크기를 정확하게 결정하는 것은 불가능하다. 왜냐하면 임의의 순간에 분자들의 배열이나 방향 또는 분자간 위치 함수, 그 어느 것도 정확하게 알지 못하기 때문이다. 그러나 근사 계산을 할 수 있는 두 가지 경우가 있다. 첫 번째는 밀도가 적절히 낮을 경우이다. 이 경우에는 분자가 비교적 널리 퍼져 있어서 두 개의 분자 또는 두 개 - 세 개의 분자간 상호작용이 위치에너지에 기여한다. 이처럼 밀도가 적절히 낮은 경우에는 비교적 구조가 간단한 분자로 구성된 계의 위치에너지를 적절한 정확도로 결정하는 방법이 있다. 두 번째는 밀도가 매우 낮은 경우이다. 이 경우에는 분자간의 거리가 매우 멀어서 위치 에너지가 없다고 가정할 수 있다. 결과적으로 이 경우에는 독립 입자(이상기체) 계가 된다. 따라서 통계적 관점으로 분자의 병진운동에 의한 에너지와 내부에너지만 계산하면 된다. 병진에너지는 분자의 질량과 속도에만 의존하므로 양자역학이나 고전역학의 식을 이용하여 계산할 수 있다.

분자 내부에너지

분자 내부에너지는 일반적으로 많은 요인에 의하여 생기므로 계산하기가 더 어렵다. 헬륨과 같은 간단한 단원자 기체를 고려해 보자. 각 분자는 하나의 헬륨 원자로 구성되어 있다. 이러한 원자에는 핵 주위를 돌고 있는 전자의 궤도 운동에 의한 각운동량과 자신의 축을 중심으로 하는 자전에 의한 각 운동량 모두에 의해 생기는 전자에너지가 있다. 이 전자에너지는 병진에너지에 비하면 매우 작다. (핵에너지도 있으며 핵반응이 일어나는 경우 외에는 일정하다. 여기서 핵에너지는 고려하지 않는다.) 두세 개의 원자로 구성된 좀 더 복잡한 분자일 경우에는 볓 가지 요인을 더 고려해야 한다. 전자에너지 외에 분자는 자신의 무게 중심을 축으로 회전 운동을 할 수 있으므로 회전에너지가 있다. 더욱이 원자들이 서로 상대적으로 진동하므로 그에 의한 진동에너지가 있으며, 상황에 따라서는 회전과 진동의 상호작용도 고려하여야 한다. 산소와 같은 이원자 분자를 생각해 보자. 분자는 강체와 같은 병진운동과 함께 질량의 중심에 관해 회전운동을 한다. 이때 회전축은 x축과 y축이 된다. 동시에 두 원자는 y축을 따라 진동할 수 있다. 회전이 빨라지면 회전에너지가 증가하고 진동이 강해지면 분자의 진동에너지는 증가한다.  다원자 분자와 같은 복잡한 분자들은 3차원 구조이며 분자의 에너지 저장에 기여하는 다양한 진동 모드를 갖고 있다. 분자가 복잡해질수록 에너지를 저장하는 자유도는 증가한다. 저장 용기 안에 들어 있는 물을 가열하면 액체와 증기의 온도가 상승하게 되며, 결국에는 액체가 모두 증발하여 증기가 된다. 거시적인 관점에서는 열의 형태로 전달된 에너지, 온도 및 압력과 같은 상태량의 변화, 매 순간 H2O가 갖는 전체 에너지의 변화가 주된 관심이다. 따라서 H2O에 에너지가 어떻게 저장되는가에는 관심이 없다. 그러나 미시적 관점에서는 분자에 에너지가 저장되는 방법에 관심이 있으며 주어진 양만큼 온도를 변하게 하기 위해서 공급해야 할 에너지의 양을 예측할 수 있는 분자 모델을 개발하는 것에 관심이 있을 수도 있다. 미시적 관점, 즉 통계적 관점도 기억해 두는 것이 도움이 된다. 양자의 관계가 에너지와 같은 기본 개념을 이해하는 데 도움이 되기 때문이다.

열에너지

현대에서 열은 이동하는 에너지로 간결하게 정의된다. 스코틀랜드 학자 제임스 클러크 맥스웰은 1871년 "열"의 현대적인 정의를 처음으로 발표하였다. 첫째, 열은 열역학 제 2법칙에 따라서 "한 물체에서 다른 물체로 이동하는 어떤 것이다." 둘째, 열은 "측정할 수 있는 양"이고, 따라서 다른 측정 가능한 양들처럼 수학적으로 취급될 수 있다. 셋째, 그것은 "물질로서 취급될 수 없다." 또한 물질이 아닌 어떤 것으로 변환될 수 있다. 마지막으로, 열은 "에너지의 형태 중의 하나이다." 현대적인 것과 유사한 간결한 정의들은 다음과 같다.  - 열은 온도가 다른 물질들 사이의 에너지 이동이다.  - 열은 오로지 전도와 복사에 의한 에너지 전달 과정에서만 정의된다.  - 열역학적인 의미에서, 열은 물체에 저장되는 것으로 취급되지 않는다. 일과 같이, 열은 단지 한 물체에서 다른 물체로 이동하는 에너지로서 존재한다. 열의 형태의 에너지가 계에 가해지면 그것은 열로서 저장되는 것이 아니라, 계를 이루고 있는 원자들과 분자들의  운동에너지와 퍼텐셜에너지로 저장된다.  - 열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 이동하는 에너지로 정의될 수 있다.  - 일의 교환이 없는 두 계 사이의 상호작용으로서의 열은 처음에는 고립되어 있고 안정한 평형상태에 있던 두 계가 접촉할 때 발생하는 순수한 열적 상호작용이다. 두 계 사이에서 교환되는 에너지를 열이라고 부른다.  - 열은 물질이 분자들이나 원자들의 진동 운동에 의해 소유하는 에너지(예를 들어 운동에너지)의 형태이다.  - 열은 물체들 사이의 온도 차이에 의해 발생하는, 한 물체에서 다른 물체로의 자발적인 에너지의 흐름으로 정의된다.