열운동에 대해서

열운동에 대해서

브라운운동의 해명에 의해 분자나 원자가 열을 받아 운동하고 있는 것이 판명되었다.

기체나 액체에서는 분자나 원자는 랜덤하게 열운동(thermal motion)하고, 고체에서는 원자가 기준이 되는 위치를 중심으로 열진동(thermak vibration)하고 있다.

고체가 결정인 경우는 특히 격자 진동(lattice vibration)이라고 부른다.

　주: 고체의 경우는 분자의 운동을 열운동이 아닌 열진동이라고 하므로 주의.

분자, 원자 등의 랜덤 병진운동, 회전운동, 진동 등의 운동에너지의 총합을 내부에너지라고 부른다.

　에너지보존의 법칙(열역학 제1법칙)에 의하면 내부 에너지의 변화량δU는 다음과 같이 표현된다.

　

　　　　δU = δ Q-δW

　　　여기에 δ Q: 계열에 주어진 열량

　　　　δ W: 계열에서 퇴출되는 일

　

즉 계에 열(에너지)을 주었을 경우에 밖에 대하여 행한 일을 뺀 나머지 에너지는 계를 구성하는 분자나 원자의 내부 에너지(운동 에너지)로서 축적된다.

고체의 온도를 올리면 내부 에너지의 증가, 즉 분자의 열진동이 심해진다.

이 운동 에너지가 고체 속의 분자를 고정하는 힘을 넘었을 때, 분자가 일정한 위치에서 떨어져 자유롭게 움직일 수 있는 액체나 기체로 바뀐다.

액체는 온도를 더욱 높임으로써 분자간 힘에 의한 분자의 구속(인력)을 넘는 열운동에 이르러 분자가 자유롭게 운동하는 기체로 바뀔 수 있다.

반대로 기체의 온도를 낮추면 내부 에너지의 감소로 액체, 고체로 변화한다.

이와 같이 열의 출입으로 물질을 구성하는 입자(분자, 원자)의 열운동량 변화를 원인으로 하여 물질 상태는 기체, 액체 및 고체 사이에서 변화한다.

　

참고

브라운 운동(Brownian motion)

1827년경에 로버트 브라운(Robert Brown: 1773~1858년, 영국의 식물학자)가 꽃가루가 삼투압으로 파괴되어 물속으로 유출된 미립자(전분?)가 불규칙적으로 움직이는 것을 발견했다.

이들 미립자의 액체 속에서의 운동은 오랫동안 밝혀지지 않았으나 1905년에 아인슈타인에 의해 발표된 논문(브라운 운동의 관계식: 아인슈타인의 관계식)에서 물리현상임이 밝혀졌다.

그 후, 용매 중(주된 매질은 액체이나 기체·고체인 경우가 있다)에 부유하는 미립자가 열운동에 의한 매질분자의 불규칙한 충돌로 일어나는 랜덤한 운동을 브라운운동이라고 칭하게 되었다.

현재는 전기회로의 열에 의한 잡음(자유전자의 불규칙한 열진동)도 브라운운동의 범주에 포함되었다.

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열진동(Thermal vibration), 격자진동(lattice vibration)

열진동이란 원자의 진동을 가리킨다.분자나 고체 중의 원자는 운동에너지를 가지며 기준이 되는 위치를 중심으로 진동하고 있다.

결정격자상의 원자의 열진동을 특히 격자진동이라고 부른다.

격자 진동은 고체 열전도의 원인 중 하나로 비열과도 관계가 깊다.

또, 격자 진동으로 전자가 산란되므로 전기 전도성이나 초전도와도 관련된다.

진동의 구동력은 열이지만, 불확정성 원리상 절대 영도라도 원자(격자)는 진동(영점 진동)하고 있으므로, 일반적으로 말하는 '절대 영도에서 운동이 정지한다'는 엄밀한 의미에서는 성립하지 않는다.

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에너지 보존의 법칙(the law of the conservation of energy)

'고립계의 에너지 총량은 변화하지 않는다'는 물리학에서의 보존규칙 중 하나이다.

에너지 보존의 법칙은 열역학에서는 열역학 제1법칙(the first law of thermodynamics) 라고 불리는 기본적인 법칙의 하나이다.

어떤 계가 다른 상태를 비교하면 두 가지 상태의 에너지 총량이 같다(차이가 제로)예를 들어 총 3가지 상태가 있으며, 그 에너지를 A, B, C로 하면 그것들의 차이에 대해서 A- B = 0, B - C = 0, C - A=0이 성립된다.

시간변화에 있어서도 임의의 시각에 에너지총량의 시간변화량은 제로다.

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