Chapter 1-3. 열역학의 계(System)

1. 계(system)란 열역학에서 연구나 관심의 대상으로 삼는 특정한 공간 또는 물질 집합을 의미한다.

• 계는 물질과 에너지를 포함하며, 계를 제외한 나머지 모든 것은 주위(surroundings)라 한다.
• 계와 주위는 경계(boundary)로 구분되며, 경계의 특성에 따라 물질과 에너지의 출입이 결정된다.

 

2. 계의 종류는 계와 주위 사이의 물질 및 에너지 교환 가능 여부에 따라 구분된다.

• 계의 분류는 열린계, 닫힌계, 고립계로 나뉜다.

 

3. 열린계(open system)는 물질과 에너지가 모두 계와 주위 사이를 자유롭게 출입할 수 있는 계이다.

• 예시: 뚜껑을 연 냄비, 펌프, 터빈, 인체 등
• 실제 화학공정, 생물체 등 대부분의 시스템이 열린계이다.

 

4. 닫힌계(closed system)는 에너지는 출입 가능하지만, 물질은 출입이 불가능하다.

• 예시: 밀폐된 압력솥, 실린더 내부의 기체, 밀폐된 물병
• 열(heat)과 일(work)의 형태로 에너지는 교환되나, 계 내부의 질량은 항상 일정하다.

 

5. 고립계(isolated system)는 물질과 에너지가 모두 출입이 불가능한 계

• 예시: 완전히 단열된 진공 플라스크, 우주 전체
• 고립계에서는 계 내부의 질량과 에너지가 항상 일정하게 보존됨

 

6. 계의 개념은 열역학 법칙의 적용 범위를 명확히 하여, 에너지 및 물질의 이동을 체계적으로 분석하는 데 필수이다.

• 계의 정의와 분류를 통해 에너지 보존 법칙, 엔트로피 변화 등 열역학적 법칙을 정확히 적용할 수 있다.

 

7. 계의 경계는 고정될 수도 있고, 이동하거나 변형될 수도 있다.

• 경계의 성질에 따라 계의 특성과 분석 방법이 달라진다.
• 예를 들어, 움직이는 피스톤은 이동 경계를 가지는 닫힌계에 해당한다.

 

 

 

<열역학 계의 분류 표>

계의 종류	물질 출입	에너지 출입	대표 예시	설명
열린계	가능	가능	펌프, 터빈, 인체, 강물	물질과 에너지가 모두 경계를 통과할 수 있음
닫힌계	불가	가능	밀폐 압력솥, 실린더, 밀폐된 물병	물질은 경계를 통과할 수 없으나, 에너지는 교환 가능
고립계	불가	불가	완전 단열 플라스크, 우주 전체	물질과 에너지가 모두 경계를 통과할 수 없음