열역학 제1법칙(First Law of Thermodynamics)은 "에너지 보존 법칙(Law of Conservation of Energy)"을 열과 일의 관계를 포함하는 열역학계로 확장한 법칙입니다.
자연계의 모든 변화에서 에너지는 새로 생성되거나 소멸되지 않으며, 단지 그 형태만 바뀔 뿐 계(System) 전체의 총 에너지는 항상 일정하게 유지된다는 것을 의미합니다.
1. 수식적 정의
밀폐계(Closed System)에 열량 Q를 공급하면, 그 에너지 중 일부는 계의 내부에너지(Internal Energy, U)를 증가시키는 데 쓰이고, 나머지는 계가 외부에 일(Work, W)을 하는 데 쓰입니다.
dQ = dU + dW
dQ: 계에 들어오거나 나간 열량 (열 흡수, 열 방출)
dU: 계의 내해보존 에너지 변화량 (온도/상태 상승, 온도/상태 하강)
dW: 계가 외부에 한 일 (계가 외부에 일을 함, 외부가 계에 일을 함)
주요 기체 변화 과정에서의 형태
정적 과정 (부피 일정, dW = 0): dQ = dU (공급된 열이 100% 내해보존 에너지만 증가시킴)
단열 과정 (열 출입 없음, dQ = 0): dU = -dW (외부에 일을 하면 내해보존 에너지가 감소하여 온도가 내려감)
2. 제1법칙이 갖는 핵심 의미
열과 일의 등가성: 열(Q)과 일(W)은 근본적으로 동일한 '에너지'의 전달 형태에 불과함을 보여줍니다. 1 cal의 열량은 정확히 약 4.184 J의 일(줄의 실험)로 전환됩니다.
상태함수로서의 내해보존 에너지(U): 열이나 일은 어떤 경로를 거쳐 전달되었는지(경로함수)에 따라 달라지지만, 계의 최종 내해보존 에너지 변화량 Delta U는 오직 초기 상태와 최종 상태에 의해서만 결정됩니다.
제1종 영구기관의 불가능성: 외부에서 에너지를 공급받지 않고 스스로 영원히 일을 하는 장치(제1종 영구기관)는 에너지 보존 법칙에 위배되므로 물리적으로 제작 불가능함을 증명합니다.
