상식에 깊이를 더하다 : Why

열역학은 제0법칙부터 제3법칙까지, 총 4가지 법칙을 근간으로 둔 학문입니다. 제1법칙과 제2법칙은 19세기 중반, 제3법칙은 20세기 초반에 발견된 반면 제0법칙은 오히려 가장 늦은 1930년대에 제시되었는데요. 그럼에도 불구하고 가장 순서가 앞선 0법칙이 된 이유는 그만큼 열역학의 기본 출발점이 되는 원리를 서술하고 있기 때문입니다. 열역학 제 0법칙 : 열평형의 법칙 열평형의 법칙이라고도 불리는 열역학 제0법칙(the zeroth law of thermodynamics)은 서로 다른 두 계 A와 B가 각각 또 다른 계 C와 열적 평형상태를 이룬다면, A와 B는 서로 열적 평형상태에 있다는 법칙입니다. 여기서 두 계간 열적 평형상태는 열평형(thermal equilibrium)을 뜻하는 말입니다. 열..

유체의 압력에너지를 힘이나 동력과 같은 기계적 일로 변환시켜주는 장치를 유압장치(hydraulic system)라고 합니다. 유압장치는 실제 우리네 주변에서 다양한 형태로 접할 수 있는데요. 수압기, 각종 유압기계, 자동차 브레이크, 유압잭 등 다양한 방면에서 사용하고 있답니다. 이러한 유압장치가 작동할 수 있는 원리는 바로 파스칼의 원리로부터 출발하고 있습니다. 유체압력 전달원리인 파스칼의 원리 파스칼의 원리(Pascal's Principle)에서 파스칼은 사람 이름인데요. 프랑스의 수학자이자 물리학자로 유명한 파스칼이 17세기에 발견한 원리이기 때문에 파스칼의 원리라고 부릅니다. 파스칼의 원리란, 밀폐된 용기 속에 있는 비압축성 액체에 압력을 가하면 이 압력은 모든 방향, 모든 면에 동일한 크기로 작..

비열(specific heat)을 열용량(heat capacity)과 혼동하는 경우를 많이 볼 수 있습니다. 정의 뿐만 아니라 공식과 기호에서조차 서로 유사한 부분이 많기 때문인 것 같은데요. 비열과 열용량의 차이를 이해하기 전에, 비열은 'Specific'이 붙었기 때문에 어떤 종량적 상태량을 질량으로 나눈 상태량인 것을 눈치챌 수 있겠습니다. 이와 관련해서는 기존의 '물질의 성질들 : 밀도, 비체적, 비중, 비중량' 포스팅의 더 알아보기 내용에 언급되어 있습니다. 필요하다면 아래 링크에서 확인할 수 있겠습니다. 물질의 성질들 : 밀도, 비체적, 비중, 비중량 유체역학이나 열역학, 또는 화학을 공부한다면 기본적으로 알고 있어야 할 물질의 여러 성질들이 있습니다. 대표적으로 밀도(density), 비체적..

압력(pressure)은 단위 면적에 수직으로 작용하는 힘을 의미하는 물리량입니다. 수식으로 표현하면 수직 힘을 면적으로 나눈 형태인 p=F/A가 됩니다. 여기서 p는 압력, A는 힘이 가해지는 작용면, F는 면에 수직으로 작용하는 힘이죠. 압력은 단위도 다양하고 종류 역시 다양합니다. 압력의 단위와 변환 방법 알아보기 압력의 정의에 의해서 가장 기본적인 단위는 힘의 단위 나누기 면적의 단위인 N/㎡입니다. 이 단위는 별도로 Pa(파스칼)이라는 단위로 표현되며, 국제단위계에서 압력의 단위로 채택하고 있습니다. 일기예보에서 흔히 들을 수 있는 헥토파스칼(hPa)이라는 것이 바로 파스칼 단위에 접두어를 붙인 것이죠. 파스칼은 보통 기계적인 힘을 계산할 때 사용됩니다. 그리고 대기압의 경우는 주로 atm이라는..

온도(temperature)는 차갑고 뜨거운 정도를 표현하는 물리량입니다. 온도의 종류로는 섭씨 온도, 화씨 온도, 절대 온도(켈빈 온도, 랭킨 온도)가 있지요. 섭씨 온도와 화씨 온도의 눈금은 물의 어는점(ice point)과 끓는점(steam point)을 기준 값으로 설정하여 등분한 것입니다. 일상에서 자주 접하고 쉽게 확인할 수 있는 것이 물의 어는점과 끓는점이지요? 이러한 물의 특이성을 이용하여 온도 눈금(scale)을 표현하게 된 것이 지금 우리가 사용하고 있는 온도 단위들입니다. 섭씨 온도와 화씨 온도의 비교 및 단위 변환식 ∇ 섭씨 온도는 우리네 일상 생활에서 사용 되어지고 있는 온도로, SI 단위계(SI Unit System) 상의 물리량입니다. 표준 대기압 상태에서의 물(water)의 ..

유체(fluid)와 관련된 공부를 하다 보면, '비압축성 유체'나 '뉴턴 유체', '점성 유체'와 같은 굉장히 다양한 유체들이 등장하죠. 이러한 용어들은 특정 기준에 따라 유체들을 구분지어 놓은 것인데요. 이번에는 각종 유체의 종류들을 종합하여 정리해보았습니다. 압축성 유체와 비압축성 유체 비교 유체가 압축 가능한지를 기준으로 압축성 유체와 비압축성 유체로 구분합니다. ∇ 압축성 유체(compressible fluid)는 압력 변화에 대해 발생하는 밀도(density)와 비중량, 체적 같은 변수의 변화를 무시할 수 없는 유체를 뜻합니다. 용어만 보고 간단하게 생각하자면 압축 가능한 유체를 말하는 것이지만, 사실 가압이든 감압이든 상관없이 압력에 의해 부피가 변하는 유체를 뜻합니다. 부피(체적)가 변하니까..

유체(fluid)는 일정한 형체 없이 자유롭게 변형 가능하면서 흐를 수 있는 물질을 뜻하는데요. 액체(liquid)와 기체(gas)뿐 아니라 플라즈마(plasma)까지 포괄하는 개념입니다. 유체의 유동에 대해 탐구하는 유체역학에서는 유체를 보다 공학적으로 정의하게 됩니다. 유체역학에서는 유체(fluid)를 어떤 크기의 전단 응력(shear stress)이나 외부 힘(external force)이 작용할 때, 연속적으로 변형하는 물질로 정의합니다. 유체의 특징 ∇ 고체(solid)와 비교했을 때, 분자 사이의 거리(분자 공간)이 큽니다. 이 말은 즉, 유체 분자간 거리가 분자 직경과 비교했을 때 월등히 크다는 것을 내포하고 있습니다. 분자간 거리가 큰 것은 유체가 유체만의 특징들을 가지게 되는 근본적인 원..

물질의 상태가 변화할 때, 여러 물리량들은 점함수와 경로함수로 구분할 수 있습니다. 구분 기준은 해당 물리량이 변화의 경로(path)에 의존하는지의 여부인데요. 두 함수를 구분하기 위해서는 과정과 경로의 뜻을 먼저 이해할 필요가 있습니다. 과정(process)이란, 어떤 계(system)가 한 평형 상태에서 다른 평형 상태로 가는 어떠한 변화를 뜻합니다. 그리고 경로(path)는 그 과정 중, 시스템이 지나는 상태의 연속을 의미한답니다. 상태함수(점함수)는 무엇인가? 점함수(point function)는 상태함수(state function)라고도 합니다. 어떤 물질이 상태 1에서 상태 2로 변화할 때, 변화의 경로(path) 또는 과정(process)과는 관계없이 시작점(상태 1)과 끝점(상태 2)만 알..

유체역학이나 열역학, 또는 화학을 공부한다면 기본적으로 알고 있어야 할 물질의 여러 성질들이 있습니다. 대표적으로 밀도(density), 비체적(specific volume), 비중(specific gravity), 비중량(specific weight) 등이 있지요. 밀도란 무엇인가? 밀도(density)는 물질의 단위 체적(부피) 당 질량으로 정의되고, 비질량(specific mass)이라고 표현하기도 합니다. 어떤 물질의 질량이 m, 부피가 V인 경우, 수식으로는 밀도(ρ)=질량(m)/부피(V)로 나타내죠. 때문에 국제단위계에서의 단위는 kg/㎥ 입니다. 다만 이 단위로는 밀도 값이 보통 한 두 자리로 나오기 때문에 g/㎤ 단위도 많이 사용합니다. 또는 단위 변환을 통해 다른 단위로 쓰기도 하지요. ..

열역학은 열역학적 평형(thermodynamic equilibrium) 상태를 기본 전제로 물질과 계(system)를 분석하고 논하는 학문입니다. 여기서 평형(equilibrium)이란, 어떤 방향이나 흐름 없이 균형적인(balanced) 상태를 말하므로, 열역학적 평형이란 열역학적으로 상태가 유지되는 균형적인 것을 뜻합니다. 열역학적 평형이 되어 있어야 우리는 상태량을 특정할 수 있고, 계산(분석)이 가능합니다. 예를 들어서 냄비가 가열되고 있어 온도가 올라가는 중이라면, 계속 온도라는 상태량이 변동하고 있기 때문에 값을 특정하지도 못하고 계산해도 의미가 없겠죠. 우리가 궁금한 것은 계가 상태 1에서 상태 2로 변했을 때의 변화량과 그 과정에서의 열(heat)과 일(work)의 출입이기 때문입니다. 열..

열역학 분야는 계(system)에서 일어나는 현상을 다룹니다. 계란, 열역학에서 우리가 관심을 가지는 대상으로 물질과 에너지(energy)를 포괄하는 공간인데요. 계는 개방계와 밀폐계, 고립계로 구분되며 각각 특징이 있습니다. 개방계, 밀폐계, 그리고 고립계 ∇ 개방계(open system)는 열린계 또는 유동계(flow system)라고도 합니다. 계의 경계를 통해서 질량(물질)과 에너지가 모두 이동이 가능합니다. 그리고 개방계는 Control Volume System인데요. 공간(Volume)을 관심 대상으로 보고 있으니, 질량과 에너지의 출입에 제한이 없습니다. 대표적인 개방계로는 펌프와 터빈이 있는데요. 물질이 흘러가는 동시에 일이나 열이라는 형태로 에너지가 출입하는 기계이기 때문입니다. ∇ 밀폐..

상태량은 '강도성 상태량(intensive property)'과 '종량성 상태량(extensive property)'으로 구분됩니다. 여러 상태량들을 이 두 가지로 구분 지어보면 다음과 같습니다. ∇ 강도성 상태량 : 온도, 압력, 밀도, 비체적(specific volume), 농도, 끓는점, 녹는점, 어느점, 전기저항 등 ∇ 종량성 상태량 : 내부에너지, 엔탈피, 엔트로피, 길이, 체적, 질량, 열용량(heat capacity) 등 강도성 상태량과 종량성 상태량 알아보기 ∇ 강도성 상태량은 물질의 질량과 관계없이 그 크기 값이 결정되는 상태량을 뜻합니다. 예를 들어서, 온도라는 상태량이 20℃라면, 이 물질이 1kg이든, 1,000kg이든 관계없이 모두 온도가 20℃ 일겁니다. 농도도 마찬가지입니다. ..

상태량은 영어로 'Quantity of State'입니다. 한글로 풀이하면 '물질계의 거시적인 상태에 대해 정해진 양'인데요. 필자는 상태량을 '어떤 물질의 현재 상태를 표현하는 양'이라고 정의합니다. 예를 들어 신발의 질량이 200g이라면, 200g은 현재 신발의 질량 상태를 나타내는 값이죠? 따라서 이 신발의 질량에 대한 상태량은 200g이 되겠습니다. 상태량을 쓰는 이유는 무엇일까? 공학(engineering)은 기본적으로 자연의 것들을 이용하여 인간에게 유용한 무엇인가를 창조하는 학문입니다. 그렇기 때문에 필연적으로 이 물질의 현재 상태를 알아야 하고, 어떤 과정(process)을 거친 이후의 상태를 알아야 합니다. 그래야 공학적 행위에 의한 물질의 변화를 확인할 수 있고, 인간이 자연을 효율적으..