Chapter 05 온도와 열

Chapter 05 온도와 열 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7. Semiconductor Physics 2019 Fall. 온도 열 팽창 열역학 제1법칙 열 전달 비열 상전이 열 기관과 열역학 제2법칙. Dept. of SCEE Kukdong University. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.1 온도 • 온도(Temperature) ☞ Section 1.1 “기본적인 물리량들” - 강의 자료 . 차갑고 뜨거움( = 열의 고저)을 계량하여 나타내는 척도로서 분자들의 움직임(주로 직선 운동에 의한 충돌)에 의해 분자들이 운동 E를 얻게 되는데, 이 운동 E가 우리에게 느껴지는. 감각의 결과를 온도라고 부른다. . 분자나 원자가 가진 Energy의 크기는 이들의 위치나 운동 상태에 의해 결정 - 운동 Energy ; 병진 운동 E, 회전 운동 E, 진동 E ☞ Figure 5S.1. 병진 운동 (Translational). - 물질 속의 분자나 원자들은 상호 결합되어 있어서 결합 위치 Energy*1를 가지고 있으면서 각각 여러가지 운동을 하게 되는데, 흔히 그 사이에 용수철로 묶여져. 회전 운동 (Rotational). 있는 모형으로 설명된다 ☞ Figure 5S.1 *1. 입자가 근접하는 경우 인력(Attraction)과 척력(Repulsion)이 작용하므로 이에 의해 발생하는 Energy를 가진다 따라서 원자나 분자가 상호 결합하는 데에는 일정량의 Energy가 필요한데, 이것이 결합의 위치 Energy이다. 진동 (Vibrational). . 고체는 단단한 용수철, 액체는 조금 느슨한 용수철로 연결되어 있는 모형으로 이해할 수 있으며, 기체의 원자나 분자 간에는 이러한 구속이 없어서 그 구성 입자들이 훨씬 더. Figure 5S.1 원자의 결합과 운동에 관한 모형과 운동의 종류. 자유로이 움직일 수 있다고 해석할 수 있다. . 온도(T)는 물체를 구성하는 입자들의 병진 운동 E의 평균값에 비례*2. 우리에게 느껴지는 운동 E가 바로 온도인데, 인간의 감각은 물질이 가진 E의 총량을 감지하는 것이 아니라 감각 부위 주변에 국한된 입자들만을 느낀다 *2. [절대 온도] ∝ [원자(분자)들의 평균 운동 Energy]. 𝟏. T ∝ 𝑲𝑬 = 𝟐m𝒗𝟐. Semiconductor Physics 2019 Fall. 물체가 가진 운동 E의 총량이 아닌 평균값이라는 점에 유의. (5S.1). (5S.1). Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.1 온도 (계속) • 열(Heat)과 내부 Energy . 한 물질을 구성하는 입자들이 가지는 Energy의 총합을 물질의 내부 E(Internal Energy)라고 하고, 내부 E는 물질이 가지는 열 E(Thermal Energy)*1와 물질이 일을 하는 경우 그 일과. 합으로 나타난다. *1. 단지 ‘열’이라고 말하여도 통상적으로는 열 Energy’를 의미하는 것으로 이해해도 좋음. . 모든 물질은 그 온도가 0 K(절대 영도)가 아닌 한 내부 E를 가지고 있다 ☞ Figure 5.3 in p170. • 절대 온도(Absolute Temperature) 와 그 척도(Scale, K), 절대 영도(0 K) . 절대 온도의 개념과 척도에 대해서는 ☞ Section1.1에서 설명했는데, 정확하게는 절대 영도는 섭씨 온도로 -273.15 °C 이지만 표현의 편의 상 -273 °C로 표시한다. . 절대 영도는 이론적으로 존재할 수 있는 가장 낮은 온도*2로서 계산은 가능하나 “절대” 달성할 수 없는 온도라는 사실에 대해서도 이미 ☞ Section1.1에서 그 이유를 설명한 바 있다 *2. T (K) = T (°C ) + 273 .15. 절대 온도 척도에서는 가장 낮은 온도가 0 K이므로 더 이상 낮은 온도는 없다 – 즉, 절대 온도 척도에서 음수로 표기되는 온도가 없다. (5.1). . 물체의 K(Kelvin) 온도는 구성 입자들의 평균 운동 Energy에 비례한다 → [절대 온도] ∝ [원자(분자)들의 평균 운동 Energy] ☞ (5S.1). . 온도와 더불어 생각할 수 있는 열은 내부 Energy를 표현할 수 있는 물리량으로서 그 원천은 물질을 구성하는 입자(원자나 분자)의 운동 Energy이다. • 열의 성질 . 온도의 개념은 열, 혹은 내부 E와는 다르다 e.g. 뜨거운 물잔에서 Pipette으로 물 한 방울을 뽑아내는 경우, 잔 속의 물과 시험관 내의 물 한 방울의 온도는 같지만 내부 E의 양은 큰 차이가 있을 것. . 열은 항상 온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동한다 이것을 내부 E가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동*3하는 것으로 이해하는 것은 틀린 것이다 ☞ RA p167 & Figure 5.1 in p168 *3. Semiconductor Physics 2019 Fall. 이 표현은 범위가 제한된 계에서는 맞는 말일 수도 있지만 항상 성립하지는 않는다 (높은 온도로 달구어져 바닷물에 던져진 작은 쇠구슬을 생각해 보면 알 수 있다). Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.2 열 팽창 • 열 팽창(Thermal Expansion) . 온도가 상승하면 팽창 대부분의 경우 속박되지 않은 물체는 팽창한다 ☞ Figure 5.6 in p172, Figure 5.9 in 173, & Figure 5S.2. (4 °C 미만의 물과 약간의 Tungsten 화합물 제외). . 열을 얻으면 물체는 일반적으로 모든 방향으로 동일한 비율로 팽창하게 되는데, 온도 변화가 클수록 팽창량도 따라서 커진다 Figure 5.4 온도 변화에 따른 재료의 길이 변화. . 팽창의 정도(온도가 일정한 만큼 상승할 때 팽창하는 비율)는 재료 고유의 특성이며, 팽창과 수축은 가역 현상. • 열팽창계수(선팽창계수 ; Coefficient of Linear Thermal Expansion) . 재료의 온도 변화(DT)에 따른 길이의 변화(Dl) 사이에는 아래의 상관관계가 성립 ☞ (5.2) ☞ Figure 5.4 in p171. Dl = a · l · DT. 온도 상승 (5.2). a ; 선팽창계수, 단위는 온도의 역수(°C-1, 또는 1/°C) ☞ Table 5.2 in p172 Figure 5.9 온도 상승에 따른 구멍의 확장 예제 5.1 온도가 -5 °C 겨울 낮에 철강 다리의 중심 지주 간격은 1200 m이다. 온도가 35 °C 인 여름 낮에 간격은 얼마만큼 늘어날까? Figure 5S.2 폭염에 휜 철로 Q01. 예제 5.1의 결과를 참조하여 다리와 같은 토목 구조물의 안전한 설계를 위해 어떤 사전 고려가 필요한지를 설명해 보라.. 온도 상승. Figure 5.5 사개 물림(신축 이음)의 계절에 따른 팽창과 수축. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.2 열 팽창 (계속) • 열 팽창 현상의 공학과 일상에의 응용 . 사개 물림(Tongue-and-Groove Joint) ☞ 예제 5.1 in p172 & Figure 5.6 in p172. . 다리의 한 쪽을 고정시키고 다른 한쪽은 움직일 수 있도록 설계해야 한다 ☞ Figure 5S.2. (a) 상온. . Bimetal - 두 금속 재료의 서로 다른 열팽창 정도(비율)의 이용 - 두 개의 다른 금속 조각을 하나로 붙인 것. (b) 온도 증가. - 두 금속의 선팽창계수가 서로 달라서 가열하면 다른 비율로 팽창 ☞ Figure 5.7 & Figure 5.8 in p173 뜨거워지면 한 방향으로 휘어지는데 차가워지면 반대 방향으로 구부러짐 (온도 변화가 클수록 구부러짐이 크다) e.g. 온도 조절 장치, 온도계, Heater나 Air Conditioner의 Switch ☞ Figure 5S.3 , 냉장고의 냉각 장치의 Switch, 화재 경보기, 나선형 Bimetal을 이용한 온도계 ☞ Figure 5.8 in p173. Figure 5S.2 온도 변화에 따라 움직이도록 설계된 교량의 받침대. Semiconductor Physics 2019 Fall. Figure 5S.3 나선형의 Bimetal 판을 이용한 온도 조절계. Copyright by DH Lee. (c) 온도 감소 Figure 5.7 Bimetal 판의 온도 변화에 따른 휨의 방향 변화. Figure 5.8 나선형의 Bimetal 판의 움직임을 이용한 온도계. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.2 열 팽창 (계속) 액체 • 액체의 온도에 따른 변화. . 액체의 온도에 따른 변화는 고체와 매우 유사한데, 상대적으로 고체보다 더 용이하게(많이) 팽창 e.g. 수은 온도계 에서 수은을 둘러싸고 있는 가는 유리관은 상대적으로 수은보다 덜 팽창하므로 수은의 팽창이 유리관 내의 수은의 높이를 변화시킨다. • 물의 온도에 따른 상(相)변화 . 물은 대부분의 온도 구간에서 다른 물질들처럼 온도 증가(가열)에 따라 팽창하는 성질을 가지고 있지만 0 ~ 4 °C 구간에서는 반대로 ‘가열-수축의 관계를 나타낸다 ☞ Figure 5S.4. . 수소 결합을 하고 있는 H2O은 0 °C 이하에서 고체 상태(얼음)로 존재하는데, 온도가 올라갈수록 ① 4 °C 이하의 물은 결정질로 인해 부피 팽창. 결합이 오히려 더 강해지는 액상의 물의 존재로 인해 부피가 팽창 ☞ Figure 5S.5. ② 온도 증가에 따라 결정이 붕괴되고 물의 부피는 감소. . 얼음이 되면 부피가 커지고 밀도 D( = [M]/[V])는 작아지므로 얼음은 물 위에 뜨게 된다. ③ 4 °C 를 넘으면 분자 운동이 커져 가열됨에 따라 물이 팽창. 이것이 수면에서부터 얼음이 어는 이유, 이는 자연계의 균형과 인류의 생존에 대단히 중요하고 의미 있는 수중 생태계의 존재로 연결됨 ☞ Figure 5.10 in p174. Figure 5S.4 H2O의 온도에 따른 부피 변화. - 10 °C 물 속에서 막 얼기 시작하는 얼음의 결정. (a) 물. (b) 얼음. (c) 막 얼기 시작한 물 속의 얼음. Figure 5S.5 H2O의 (a) 액상(물),(b) 고상(얼음)의 분자 구조, (c) 막 얼기 시작한 상태의 물의 분자 결합 구조 변화. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Figure 5.10 4 °C 이상의 물은 밀도가 낮아 표면으로 부상 4 °C 미만에서는 더 찬 물이 표면으로 부상. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.2 열 팽창 (계속) 기체 • 기체의 온도에 따른 변화. . 기체의 부피 팽창은 고체나 액체보다 훨씬 큰데, 온도가 매우 낮거나 압력이 매우 높은 경우를 제외하고 팽창량은 기체의 종류에 관계 없이 일정. . 기체가 차지하는 부피와 온도 사이의 관계 – 압력이 일정하게 유지된다면 기체가 차지하는 부피는 온도(K)에 비례 ☞ (5.3) e.g. 303 K에 있는 풍선의 부피는 273 K에 있는 풍선의 부피보다 약 10 % 크다 (같은 온도 차에서 일반적으로 고체의 부피 변화는 1% 내외, 액체는 최대 5% 정도). V ∝ T (in K). (5.3). • 이상 기체(Ideal Gas)의 법칙 . 구성 입자들 사이의 상호 작용을 무시할 수 있을 정도로 밀도가 낮은 기체에서 기체의 압력, 부피, 온도(K)의 상관관계. pV = (nR)·T. (5.4). . 이상 기체의 법칙은 기체의 종류와 관계없이 적용 가능한 식이므로 매우 유용하고 광범위하게 사용할 수 있는 식. . 위 전제 조건(밑줄 친 부분)을 만족하는 경우, 기체의 종류에 상관없이 기체의 양(‘n’ in mol)이 일정하다면 R은 ‘기체 상수(Gas Constant)’*1라고 불리는 상수이므로 (nR)을 묶어 하나의 상수로 처리할 수 있다 ☞ (5.4a) in p175 *1. pV = (nR)·T = (상수)·T. Semiconductor Physics 2019 Fall. R = 8.31 J/mol·K = 1.987 cal/mol·K. (5.4a). Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.2 열 팽창 (계속) 기체 (계속) • 이상 기체의 법칙 (계속) * 또 다시 한번! 공식이 주어지면 각각 다른 관점에서 보기 위해 공식의 변환을 이루어내는 훈련, 물리적 의미를 더불어 살피는 연습. p. 1) 부피가 일정할 때 압력은 온도에 비례하여 증가하거나 감소한다는 의미 [기울기] = 𝒏𝐑/𝑽. e.g. 조리 시에 압력 밥솥 내의 압력은 온도 증가에 따라 따라서 비례적으로 증가 상온 25 °C에서 100 °C 로 가열한다면 압력은 4 배 증가 (온도 증가에 따른 밥솥 부피의 증가는 무시할 수 있는 양이므로 기체의 부피가 일정하다고 가정할 수 있다). p = (nR)T / V. const. if V = const. p = (nR/V)T → → p∝T. Δ𝒑 (5.4a). ΔT O. 2) 온도가 일정할 때, 압력과 부피와의 관계는 상호 반비례 (이 관계를 Graph로 처리하면 쌍곡선의 형태가 된다, 다만 음의 영역은 존재하지 않는다). T. Figure 5S.6 이상 기체의 온도에 따른 압력의 변화. p pV = (nR)T = const.. (5.4a). p ∝ 1 / V,. (5.4b). V∝1/p. . 물질의 상태(기/액/고상)에 관계없이 온도가 변하여도 질량 (또는, 무게)는 불변, 다만 부피가 변화하므로 질량 밀도나 무게 밀도는 감소한다 O. V. Figure 5S.7 이상 기체의 압력에 따른 부피의 변화. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.3 열역학(Thermodynamics) 제1법칙 • 물질의 온도가 변화하는 원인 . 물질의 온도가 변하는 것은 Energy의 이동이 그 근본 원인인데 물체가 자신보다 온도가 더 높은 물체에 노출되어 내부 Energy가 전달되었거나 어떤 Energy이든 열로 변환되어 옮겨. 졌다면 물체의 내부 E가 증가한 것이며, 이에 따라 물질의 온도는 변화할 것이고 이러한 현상을 열 전달(Heat Transfer)이라고 한다. . 열역학적으로 엄밀하게 표현한다면 물체는 열을 가지고 있는 것이 아니라 내부 E를 가지고 있는 것이며, 이것이 다른 물체에 전달될 때에만 열이라고 표현할 수 있다. . 일반적으로 물체의 온도를 변화(증가/감소)시키는 2 가지 방법 1) 높은 온도 환경에 노출 가장 손쉽고 친숙한 방법으로서 한 물체가 더 높은 온도의 물체에 노출되면 물체 안의 원자나 분자들은 뜨거운 (상대적으로 더 온도가 높은) 물체 안의 원자와 분자들로부터 운동 E를 얻게 되고 이에 따라 온도가 상승한다 반대로 온도가 높은 물체는 이러한 열 전달 과정에 의해 Energy를 잃고 온도는 내려갈 것이다 → Energy 보존. 2) 물체에 일을 한다 기체를 압축하거나 팽창시키는 것은 일을 통해 Energy가 전달하는 방법 ☞ Figure 5.14 & 5.15 in p178 운동 마찰로 물체의 온도를 올리는 것도 일을 통해 Energy를 전달하는 또 다른 방법 ☞ Section 3.4 e.g. Diesel Engine의 Cylinder 내 압력을 높여 부피가 1/20이 되면 온도는 721 °C까지 상승하여 Diesel의 Figure 5.14 Cylinder 내 기체 압축에 의한 기체 온도 상승. 발화점 이상이 된다 (Diesel Engine에는 별도의 Spark Plug가 없다). . 앞서 언급한 것처럼 온도는 원자와 분자들의 평균 운동 E에 따라 달라지는데, 온도 변화가 일어나기 위해서는 원자와 분자들은 Energy를 얻거나 잃어야만 한다 (온도 상승, 또는 하강) ☞ Section 3.4에서 내부 E의 개념을 학습한 바 있는데, 물질의 전체 내부 E는 아래와 같이 구성되지만 기체 구성 입자들은 고체나 액체와 같이 강한 결합을 하고 있지 않아서 결합에 따른 위치 E가 거의 없기 때문에 운동 E만을 가지는 것이 다른 점이다 (중력에 의한 위치 E는 내부 E에 포함되지 않는다). [입자들에 주어진 내부 E] = [입자들의 결합 위치 E] + [운동 E]. . 열의 단위는 일(Energy)의 단위와 같으며 따라서 주로 J, cal*1 (혹은, kcal) 등으로 표시한다 *1. Semiconductor Physics 2019 Fall. 1 cal의 정의는 물 1 cm3를 1 °C (혹은 1 K) 올리는데 필요한 열량, 이미 학습한 일의 보편적 단위 Joule과의 환산 관계는 1 cal = 4.184 J. Copyright by DH Lee. ☞ (5.12) in p189. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.3 열역학 제1법칙 (계속) • 열 평형(Equilibrium) . 온도가 다른 두 물체 사이에는 열 전달이 일어난다. E를 열의 형태로 주고 받은 두 물체의 온도가 같아져서 더 이상 열 전달이 없는 상태가 된다면 두 물체는 열적으로 평형 상태에 있다고 한다 ☞ Figure 5.16 in p179. • 열역학 제1법칙 . 물체의 내부 E(U)변화는 물체에 한 일과 전달된 열(Q)을 더한 것과 같다. DU = [일] + Q. (5.5). . 열역학 제1법칙의 근간은 E 보존의 법칙 – 물체에 한 일, 또는 전달된 열은 내부 E로서 저장된다. . 주의할 점은 앞서도 언급한 바처럼 열역학 제1법칙에 관련된 ‘일’은 기체의 압축과 같이 원자나 분자들로 Energy가 직접 전달되는 형태이어야 하며, 물체가 들어올려질 때 물체에 일이 가해져 생기는 위치 E는. Figure 5.16 열 전달과 열 평형. 내부 E에 영향을 미치지 않는다. . 물체에 행해진 일은 양(+), 물체가 다른 물체에 일을 할 때에는 음(-)으로 처리, 열이 물체 내부로 전달되면 Q는 양(+), 열이 물체 밖으로 전달되면 음(-)으로 처리한다. • 상태 변화(Phase Transformation) . 상태 변화가 일어날 때에 열은 전달되고 있지만 온도는 변화하지 않으며*1 다만 내부 E가 증가할 따름인데, 이 Energy는 상태 변화가 일어나는데 소모된다 *1. 온도는 ☞ (5S.1)로 정의한 바와 같이 내부 E 중에서 물질 구성 입자들의 운동 E의 평균치로 표현됨에 유의. . 앞서 언급한 것처럼 결합 위치 E가 존재하는 것은 결합에 일이 필요했기 때문이며 그 결과 일이 (결합) 위치 E로 저장되었던 것인데, 이제 상태 변화를 위해 결합을 파괴하기 위해서는 다시 이 E를 빼앗아야만 하고 전달되는 열에 의해 바로 이에 맞먹는 만큼의 내부 E가 증가하고 있는 것이다 e.g. 물이 끓는 동안 열이 물로 전달되지만 온도는 100 °C에서 더 이상 변하지 않는다 – 온도는 분자들의 평균 운동 E로 나타나므로 이것은 상 변화 중에는 분자의 운동 E에 변화가. 없다는 것을 의미한다. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.4 열 전달(Heat Transfer) • 열 전달의 3가지 방법 – 열이 전달되는 3가지 과정 1) 전도(傳導, Conduction), 2) 대류(對流, Convection), 3) 복사(輻射, Radiation). • 전도 . 직접 접촉하고 있는 온도가 서로 다른 물체의 구성 입자들 사이의 운동 Energy 전달을 통하여 이루어지는 열의 전달 과정. . 열을 잘 전달하는 좋은 열 도체 물질과 열 부도체(절연체) 물질 - 대체로 금속은 자유 전자의 존재로 인해 좋은 열 전도체들이다 (동일한 이유로 인해 전기의 흐름의 관점에서도 물론 좋은 전도 물질이기도 함). - 실제로 완전한 진공은 얻을 수 없으므로 진공의 정도에 따라 공기 분자는 존재하지만, 진공에서는 원자나 분자의 밀도가 워낙 희박하여 전도나 대류에 의한 열 전달은 이루어지지 않는다 (전도가 원자나 분자 운동의 결과라는 증거이기도 함). - 돌이나 나무, Concrete, 유리 등은 열 도체와 부도체의 중간적인 성질을 가진다. . 전도 효율은 온도 차, 열 전도 거리, 전도 단면의 넓이, 열전도도 (각 재료의 고유 물성) 등에 따라 결정. • 대류 . 주로 기체에서 이루어지는 열 전달의 방법으로서, 전도의 경우처럼 제자리에 있는 원자나 분자의 운동 Energy의 전달과는 달리 유체 온도에 따른 밀도 차이에 의해 기체 입자가 직접 이동하는 유체의 흐름에 의해 이루어지는 열 전달 Figure 5.17 공기 대류 현상에 의한 해풍과 육풍. . 생활 주변의 대류 현상의 예 1) 육풍과 해풍 ☞ Figure 5.21 in p183. - 맑은 날 육지 표면은 바다보다 쉽게 데워지고 이에 따라 육지의 공기 밀도가 낮아져서 상승함에 따라 바다에서 육지로 해풍이 발생, 밤에는 육지가 빨리 식어 반대 현상(육풍) 발생. 2) 구름의 형성, 바람, 뇌우 등과 같이 여러가지 자연의 기상학적 현상은 모두 대류가 주된 원인이 되어 일어나는 현상. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.4 열 전달 (계속) • 복사 . 전자기파(Electromagnetic Wave)에 의한 열 전달로서 열 전달의 3가지 방법 중 유일하게 진공 중에서도 이루어질 수 있는 열 전달 방법. . 원자, 분자들의 내부 E는 전자기 E로 바뀌게 되는데 이를 복사(Radiation)라고 하며, 물체에 전자기파가 닿을 때에 복사에 의한 E는 흡수 물체의 원자와 분자들의 내부 E로 바뀐다. . 물체의 복사 - 모든 물체는 전자기파를 방출(복사)하고 있으며 또한 다른 물체로부터 복사 E(전자기파)를 받고기도 하는데, 복사의 양과 형태는 복사체의 온도에 따라 달라지며 물체가 뜨거울수록 (온도가 높을수록) 전자기파의 복사량은 많아진다. - 방출하는 E 양보다 흡수하는 양이 많으면 물체는 더 따뜻해지고, 반대로 방출하는 E양이 많으면 (새로운 E를 받거나 E가 생성되지 않는 한) 물체는 차가워질 것이다. - 우리 몸이 햇빛에 노출되면 따뜻함을 느끼게 되는데 이는 몸이 방출하는 복사량보다 태양으로부터 받아들이는 복사량이 더 많기 때문. . 430 °C(703 K) 미만의 물체는 눈에 보이지 않는 적외선을 주로 방출하지만, 온도가 이 이상으로 올라가면 더 많은 적외선과 가시광을 방출하므로 어두운 곳에서 적열(Red Hot), 혹은 백열(White Hot)을 볼 수 있다. 8 . 지구와 태양 사이의 거리는 1.5 x 10 km(1억 5천만 km ☞ Table 1.1 in p15)로 아주 먼 거리이지만 복사라는 방법으로 태양의 Energy가 열의 형태로 지구까지 전해질 수 있다. 난로나 모닥불로부터 대부분의 열은 복사 과정을 통해 전달 (사람과 열원 사이의 공기를 통해 일부는 대류의 방법으로 전달되지만 효율이 낮음 – 열원에서 멀어질수록 대류에 의한 열 전달보다는 복사에 의한 전달이 지배적인 열 전달 방법이 된다). • 전도, 대류, 복사의 조합(Combination) . 일상 생활 주변의 열 전달은 살펴 본 3가지 전달 방법의 적절한 조합이나 차단으로 이루어지는 경우가 대부분 e.g. 건물의 냉/난방 (복사 + 전도 차단), 보온병(복사 감소 + 전도 감소) 등. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.5 비열 • 비열(比熱; Specific Heat) . 물체 1 kg의 온도를 1 °C 올리는데 필요한 열량, C (단위 ; J / kg∙°C = J / kg∙K ). . 비열은 물질 고유의 특성으로서 물질마다 다른데, 바꾸어 표현하자면 비열이 낮은 물질일수록 쉽게 데울(온도를 높일) 수 있다는 뜻 e.g. 물을 데우는 데 필요한 열량은 동일한 질량의 철을 데우는 데 필요한 열량(Energy)의 9배 ☞ Table 5.3 in p187. Table 5.3 물질의 비열. . 물체의 온도를 ΔT 만큼 올리는데 필요한 열량 Q 1) 필요한 열량은 온도 증가량 ΔT에 비례. Q ∝ ΔT. (5.6). 2) 필요한 열량은 데워야 할 물체의 질량 𝒎에 따라 달라진다. Q∝𝒎. (5.7). 3) 필요한 열량은 데워야 할 물체의 종류에 따라 달라진다 – 이것을 규정하는 물리량이 비열 C. Q∝C. (5.8). (5.6), (5.7), (5.8)의 결과를 묶으면 물체의 온도를 ΔT 만큼 올리는데 필요한 열량 Q는 아래의 식으로 표현된다. Q = C· m · DT. (5.9). 예제 5.4. Coffee 또는 차 한잔을 데우는 데 필요한 E를 구하라. 물의 질량은 약 0.22 kg이고 물의 온도를 20 °C에서 100 °C까지 올리는 데 얼마만큼의 열이 물로 전달되어야 하는가?. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.5 비열 (계속) 예제 5.5. ☞ Figure 5.18 in p155. 5 kg의 벽돌이 10 m 높이에서 바닥으로 떨어진다. 벽돌이 바닥에 도달할 때 벽돌의 처음 위치 E 모두가 벽돌을 데우는 열로 바뀌었다면 온도 변화는 얼마인가?. • 일의 열 E로의 전환. Figure 5.17 운동 E의 열 E로의 전환. . 예제 5.4의 결과를 예제 3.6 in p97의 결과와 비교해 보면 열로 변환되는 E의 효과는 생각보다 크지 않다 ☞ Figure 5.26 in p188 예제 5.5의 결과에서도 마찬가지인데, 더구나 어떤 E이든 열 E로의 전환은 효율이 매우 낮은 Energy 변환이다 e.g. 겨울에 난방을 위해 전열기를 많이 사용하는데, 이는 E 전환의 효율 관점에서 본다면 매우 비효율적인 난방 수단. 예제 5.6 낮은 지구 궤도에 있는 위성은 약간의 공기 저항을 받고, 결국 지구 대기권으로 재진입한다. 위성이 공기 밀도가 증가하는 아래 방향으로 이동할 때, 공기 저항에 의한 마찰력은 위성의 운동 E를 내부 E로 변환시킨다. 위성은 대부분 Aluminum이고, 이의 운동 E 전부가 내부 E로 바뀐다면 온도는 얼마만큼 증가할까?. Figure 5.18 위치 E의 열 E로의 전환. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.5 비열 (계속) • 열의 일당량(The Mechanical Equivalent of Heat) . 19 C 중반이 되기까지 열과 역학적 E를 서로 결부시켜 생각하지 못했지만, 1843년 James Joule은 정교하게 고안된. 실험 장치를 이용하여 측정 가능한 역학 E의 변화량이 물의 온도 상승을 유발한다는 것을 실험을 통해 밝힘으로써 “열의 일당량”을 계산할 수 있었다 ☞ Figure 5S.8. 1 cal = 4.184 J. (5.12). • 물의 비열과 유용성 . 예제 5.4, 5.5를 통해 알 수 있는 사실이지만 물의 비열은 다른 물질에 비해 상당히 크다 ☞ Table 5.3 in p187 이것은 물이 큰 내부 E를 지닐 수도 있고 방출할 수도 있다는 의미인데, 4 °C미만의 물이 온도가 내려갈수록 부피가 커진다는 사실과 더불어 물이 지닌 대단히 중요한 또 다른 특성이다. . 물은 인체 성분의 70% 이상을 차지할 뿐 아니라 모든 생물의 생존에 있어서 절대 없어서는 안될 필수 요소이며, 지구 표면의 ~70%를 차지할 정도로 풍부한 자원으로서 활용도가 광범위하기도 하지만, 높은 비열로 인해 엄청난 Energy 저장고의 역할을 하고 있다. Figure 5S.8 J. Joule이 고안한 열의 일당량 환산 실험 장치. . 순수한 물은 무색, 무취이므로 세정과 음용의 목적으로 사용되는 것은 물론, 유류와 극성 기체를 제외한 거의 모든 물질에 대해 용해 능력을 지니고 있어 ‘만능 용매’(Universal Solvent) 로도 불린다. . 앞서 언급한 것처럼 비열이 아주 높기 때문에 냉각의 목적으로 사용하는데 적합하여 우리의 일상생활에서 늘 접하는 자동차의 Engine은 물론 대부분의 제조 설비와 발전소 등에서 아주 흔하게 냉각이나 세정의 목적으로 사용되는 예를 찾아 볼 수 있다. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.6 상전이 • 상전이(상태 변화 ; Phase Transition, Transformation) . 물체가 하나의 상태*1에서 다른 상태로 바뀌는 현상 ☞ Figure 5S.9, Table 5.4 in p190 *1. 상전이, 혹은 상태 변화를 다룰 때 “상태”라는 용어는 고체/액체/기체 등과 같이 물질 내 원자나 분자의 결합 E에 따른 결속 차이에 의해 나타나는 성질을 의미하는 용어. • 물의 상태 변화 ☞ Figure 5.29 in p193 . 액체 상태의 물은 끓는 온도 아래에서 분자들이 서로 묶여 있어서 음의 위치 E를 가지고 있다*2 *2. Table 5.4 일반적인 상전이에서의 물질의 변화 양상. 매우 중요한 개념이지만 본 학과목의 범주를 넘어서는 내용이므로 상세히 설명하지 않고 강의 자료의 마지막에 부록으로 처리. . 물이 끓는다는 것은 각 분자들이 분자 간 결합을 깨기에 충분한 E를 얻는다는 뜻인데, 열원에 의해 열 전달로. 주어지는 E는 물 분자의 운동 E를 증가시키는 것이 아니라 액체 상태에서 분자들을 잡고 있는 결합을 깨뜨리고 있는 것이며, 분자들은 물의 표면에서 떨어져 나오기에 충분한 E를 얻게 되고 자유로운 증기 분자들이 된다. . 물이 끓고 있는 동안 분자들의 평균 운동 E는 변함이 없으므로 온도 변화는 일어나지 않는다 온도는 오로지 내부 E의 함수임을 유념! ☞ (5S.1) in Section 5.1. 기체. 액화(Liquefaction*3). 분자간 결합을 파괴하는데 Energy(열)가 필요하므로 일정 시간 동안 온도 변화가 없음. 고체. 응고(Solidification*4). 액체. *3. ‘Melting ‘Freezing 반도체 제조공정에서 많이 응용되는 상변화 과정 *4. *5. (시간) Figure 5.29 가열에 따른 물의 상태와 온도 변화. Semiconductor Physics 2019 Fall. Figure 5S.9 고/액/기체 상태 간의 변화와 명칭. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.6 상전이 (계속) • 고체의 액화(Melting, Liquefaction) . 얼음이 물이 되는 것과 같이 고체가 녹는 동안에는 내부 E의 증가로 원자, 또는 분자들의 위치 E(결합 E) 만을 증가시키며 온도는 변화하지 않는다. . 기체가 액체로 변화하는 응축(Condensation)은 기화(끓음, Evaporation)의 반대 과정, 액체가 다시 고체로 변화하는 응고(Solidification)의 과정은 액화의 반대 과정이다 원자나 분자들의 위치 E(결합 E)는 감소하나 운동 E는 변하지 않으므로 따라서 온도 또한 변화하지 않는다. • 상전이의 온도 . 상전이의 온도는 물질의 고유 특성인데, 이는 물질마다 내부 구성 입자들의 질량과 결합력이 다르기 때문 e.g. 소금은 분자 간 결합력이 매우 강하여 녹는 온도와 끓는 온도가 매우 높다 (질량 ; 58.4 g/mol, MP = 801 °C, BP = 1413 °C) Helium(He)은 수소 다음으로 가벼운 원소로서 질량도 작지만, 분자 간 결합력이 매우 약해서 상전이 (기체 → 액체) 온도는 절대 영도에 가깝다 (0.95 K = -272.2 °C @ 26 atm) Table 5S.1 압력 변화에 따른 물의 끓는 점 변화. • 압력 유도 상전이 . 액체의 끓는 온도는 표면에 작용하는 공기 (또는, 다른 기체) 압력에 따라 다르다 ☞ Table 5S.1. 압력 (기압, atm). 끓는 온도 (°C). 0.670. 9000. 해발 고도 3000 m. 1.000. 10000. 상압 (대기압). 2.000. 12000. . 압력에 따라 끓는 점이 달라진다는 사실은 압력 변화만으로 상온에서의 상을 변화시키는 것이 가능하다는 뜻이기도 하며, 이러한 상전이 현상을 압력 유도 상전이라고 한다. 비고. • 숨은 열(잠열 ; Latent Heat) . 상전이가 완전히 일어나기 위해서는 단순히 온도를 올리거나 내리는데 필요한 Energy의 증감뿐만 아니라 내부 E에 해당하는 만큼 Energy를 더하거나 빼내야 하는데, 이러한 Energy를 잠열(숨은 열)이라고 한다 e.g. 0 °C에 있는 1 kg의 얼음을 녹이기 위해서는 334,000 J의 열이 얼음에 전달되어야 하며 100 °C, 1 kg의 물을 증기로 완전히 바꾸기 위해서 2,260,000 J이 전달되어야 한다. . 예제 5.7의 답은 얼음이 그 자체의 물의 질량의 4 배를 20 °C에서 0 °C로 냉각할 수 있다는 결과를 말해 주는데, 얼음이나 물의 잠열은 일상에서 많이 응용되고 있다 e.g. 얼음이 음료수를 차갑게 만드는데 좋은 것 (액화의 큰 잠열 이용), 물로써 불을 끄는 것 (기화의 막대한 잠열 이용, 기화열은 액화열의 ~7 배). 예제 5.5. 실온(20 °C)의 물을 0 °C로 차갑게 하는 데 0 °C의 얼음을 사용한다. 1 kg의 얼음으로 얼마나 많은 물을 차갑게 할 수 있을까?. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.6 상전이 (계속) 습도 • 끓는 점 아래에서 일어나는 액체의 증발(Vaporization) 현상. . 경험을 통해 액체가 끓는 점 아래의 온도(심지어는 상온)에서도 증발하여 기체로 상전이가 일어난다는 것을 알고 있는데, 이는 낮은 온도에서도 운동 E가 증발할 수 있을 만큼 충분히 큰 분자나 원자의 존재 때문. . ☞ Section 5.1, (5S.1)은 온도가 각 분자들의 운동 E의 평균치의 결과임을 말해 주고 있는데, ‘평균’이라는 개념에 주목한다면 수 많은 구성 입자 중 상전이를 일으킬 만큼 충분한 운동 E를 가진 분자나 원자가 존재한다는 것을 이해할 수 있으며, 이러한 이유로 인해 공기 중에는 항상 수증기가 존재하게 되는 것이다. 𝟏. T ∝ 𝑲𝑬 = 𝟐m𝒗𝟐. (5S.1). • 습도(Humidity) . 습도는 공기 중의 수증기의 양의 척도로서, 공기 중에 있는 단위 부피 당 수증기의 질량 (공기 중의 수증기의 밀도). 3 . 습도의 단위는 질량 밀도의 단위와 같은 kg/m 로서 일상에서 흔히 습도를 백분율로 표시하지만, 이는 편의 상의. 표현이며 엄밀히 말하자면 ‘상대 습도’라고 명기해야 한다’ e.g. 건조하고 추운 날의 습도는 0.03 kg/m3, 덥고 무더운 날 0.01 kg/m3 정도 cf. 공기의 보통 밀도는 1.29 kg/m3, 습한 날에도 수증기는 공기의 5% 이하의 작은 부분에 지나지 않는다. • 포화 밀도(Saturation Density) ☞ Table 5.5 & Figure 5.31 in p194 . 주어진 온도에서 공기가 품을 수 있는 습도의 최대치 (임의의 온도에서 습도의 최대량 – 최대 가능 습도). . 포화 밀도는 온도의 함수이며 온도가 올라갈수록 공기 중에 품을 수 있는 수증기의 양은 증가하므로 흔히 여름철에는 습하게, 겨울철에는 반대로 건조함을 느끼게 된다 Figure 5.31 온도에 따른 포화 밀도의 변화. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.6 상전이 (계속) • 상대 습도(Relative Humidity) . 포화 밀도에 대해 현재의 습도를 백분율로 표현한 수치로서, 일상 생활에서 흔히 편의 상 ‘습도”라고 표현하는 양. [상대 습도] = ([습도] / [포화 밀도]) x 100 (%). (5.8). . 수증기 함량이 일정하게 유지되면서 공기가 차가워지면 상대 습도는 증가, 공기가 가열되고 습도가 일정하게 유지되면 상대 습도는 감소하므로 겨울에 난방으로 가열된 건물에서 흔히 공기가 건조함을 느끼게 된다. • 이슬점 온도(Dew Point) . 습도가 일정하게 유지되는 동안 공기를 냉각하면 어느 온도에 이르러서는 응축(Condensation, 물방울이 맺힘)이 일어나기 시작하는데 이 온도를 이슬점 온도라고 한다. . 습도를 알고 있다면 이슬점은 포화 밀도에 다다르는 점이 되므로 ☞ Figure 5.31의 그림을 통해 쉽게 알 수 있다. . 습한 여름철에는 음료수 통이나 차가운 음료수를 담고 있는 용기의 표면에 종종 작은 물방울들이 생기는 것을 경험할 수 있는데, 이것은 용기 표면의 온도가 이슬점 온도 미만일 때 포화 밀도 이상의 수증기가 주변에 존재하고 있으므로, 용기 표면에 가까이 있는 공기는 품을 수 있는 한도 이상의 과도한 수증기를 머금은 과포화 상태가 되어 표면에 응축 현상이 발생하게 된다 (반대로 추운 겨울에 자동차 유리에 수증기가 서리는 것도 동일한 현상이다). . 증발 과정은 액체의 온도를 낮추게 되는데, 기체 상태의 원자나 분자들은 액체로 있을 때보다 많은 Energy를 가지고 있으므로 물 분자가 증발할 때 어느 정도 내부 E를 빼앗아가게 되고 물은 차갑게 되는 것이다 (이것은 상대적으로 큰 운동 E를 가지는 분자들은 증발하고 작은 운동E를 가지는 분자들이 남아있는 것으로 해석할 수도 있다) e.g. 땀의 증발로 인해 우리 몸은 시원함을 느끼게 되거나, 바람이 불면 시원함을 느끼는 것은 피부 표면의 습한 공기를 밀어 내고 건조한 공기가 이동한 공기를 대체하게 되므로 빠른 증발이 일어나고 우리 몸은 시원함을 느끼게 되는 것. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.7 열기관과 열역학 제2법칙 • 열기관(Heat Engine) . 열을 역학적 E나 일로 변환시키는 장치. Energy Turbine. . 연소하는 연료와 같이 온도가 높은 열원으로부터 열을 흡수하고 이 E의 일부를 사용 가능한 역학적 E나 일로 변환하며 남은 E는 열의 형태로 저온 열원으로 내보낸다. . Engine이 동작하고 있는 동안 주어진 주기 안에서 열의 특정한 (폐열). 양 Qh가 열원으로부터 흡수되며, 이 Energy의 일부는 사용 가능한 일로 바뀌고, 입력 Energy의 나머지는 폐열 Ql으로 배출,. Energy). 이 때 폐열이 발생하는 것은 불가피하다 ☞ Figure 5.32 in p197. Pump. Figure 5.32 입력 Energy와 출력 Energy를 보여주는 발전소의 Energy 흐름 모식도. • 열역학 제2법칙 . 열의 일부를 저온 열원으로 배출하지 않고, 반복적으로 열원으로부터 추출해서 역학 E, 혹은 일로 내보내는 어떤 장치도 만들 수 없다 또는, 열은 항상 뜨거운(온도가 높은) 물체로부터 차가운(온도가 낮은) 물체로 흐른다 (제1법칙과 마찬가지로 여전히 그 근간은 Energy 보존 법칙). . Energy 효율 ☞ Figure 5.33 in p197 어떤 장치나 과정의 Energy 효율은 사용 가능한 출력을 전체 입력으로 나누어 백분율로 표시. [효율] = ([입력 Energy, 또는 일] / [출력 Energy, 일]) x 100 (%). (5.14a). 열기관의 경우 입력 E는 Qh이고 출력은 일이다. [효율] = ([일] / [출력 Energy, 일]) x 100 (%). Semiconductor Physics 2019 Fall. (5.14b). Copyright by DH Lee. Figure 5.33 열기관의 Energy 흐름과 효율. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.7 열기관과 열역학 제2법칙 (계속) • Carnot 효율 - 열기관 효율의 이론적 상한 . 완전 열기관의 효율은 열원(온도 Th , K)과 저온 열원(온도 Tl , K)의 온도에 의해 제한을 받는다. [Carnot Efficiency] =. 𝑻𝐡−𝑻𝐥 x 100 (%) 𝑻𝐡. (5.15). . 열기관의 열 손실은 마찰, 불완전한 단열 등 효율을 감소시키는 여러가지 요인을 가지고 있지만, 이를 완전히 제거한다고 하더라도 효율이 100%가 되려면 저온 열원의 온도가 영도, 또는 열원의 온도가 무한대로 높은 것을 의미하는데, 이는 현실적으로 불가능하다. . 예제 5.9에서 계산한 화력 발전소의 효율은 54%이지만 실제 화력 발전소의 효율은 35 ~ 40%로서 입력 E의 2/3는 폐열로 사라진다. e.g. Diesel Engine의 효율은 35%, Jet Engine 23%, Gasoline Engine 25%. . 열기관의 효율을 개선하는 방법은 1) 과정을 개선하여 손실을 감소시키거나, 2) 열원 온도(Th)를 높이거나 저온 열원 온도(Tl)를 낮추는 것이다 • 열 이동자(Heat Mover)*1 . 열기관에서는 고온 열원에서 저온 열원으로 열이 이동하며 열의 일부를 일로 바꾸게 되지만, 냉장고, Air Conditioner, 열 이동자 등은 반대로 입력 E를 이용, 차가운 물체에서 따뜻한 물체로 열이 흐르게 하는 장치이다 (열이 따뜻한 물체 에서 차가운 물체로 흐르는 자연적인 움직임에 반한다) ☞ Figure 5.35 in p199 Valve. Pump. . 이 장치들에서는 냉각되는 물체로부터 열을 빼낼 때 따뜻해지는 다른 물체로 많은 양의 열이 흘러 들어가게 되는데 작동 원리와 구조가 유사 e.g. 냉장고의 저온 열원은 장치 내부의 공기, 고온 열원은 방 안의 공기 e.g. A/C는 건물 실내와 자동차 내부에서 순환하는 공기로부터 열을 흡수, 따뜻한 외부 공기로 열을 배출 Figure 5.35 냉장고에서의 열의 흐름. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.7 열기관과 열역학 제2법칙 (계속) • 열 이동자의 작동 원리 . 끓는 점이 낮으며 낮은 압력으로도 쉽게 응축되는 기체 상태의 냉매(Refrigerant)의 상전이를 이용,. 1) Pump를 사용하여 냉매를 압축, 상전이를 유발하여 액체로 바꾼 후, 2) 작은 구멍을 통해 흐르게 하면서 받아들이는 쪽의 압력을 낮게 유지하면 냉매가 빠르게 기체 상태로 변환, 3) 액체로부터 기체로 상전이 과정에서 많은 기화열(잠열)을 주변으로부터 흡수 4) 냉매는 다시 기체 상태로 Pump로 흘러 들어가서 1) ~ 3)의 과정을 반복하게 된다. . 냉방이나 냉장을 위해서는 온도를 낮추기 위한 목적에 따라 반드시 냉매의 열 흡수 측과 방출 측을 분리해 주어야. Energy. 하는 것은 당연한 일이지만, 여기서 중요한 것은 한 쪽에서는 열을 빼앗김(냉매의 열 흡수)으로 인해 낮은 온도를 냉장이나 냉방에 이용하게 되고 다른 쪽(열 방출)에서는 거의 동일한 열이 빠져나가므로, 냉매를 이용하여 잠시 흐름을 국부적으로 바꾼 것에 불과할 뿐, 열 흐름의 관점에서 보면 여전히 높은 온도에서 낮은 온도로 이동한다는 것이다 (이 과정을 위해 Pump가 기체에 일을 해 주어야 한다) ☞ Figure 5.36 in p199. • 사용 가능한 Energy. Figure 5.36 열 이동자에서의 Energy 흐름. . Energy의 변환 효율과 유용성 – Energy 변환의 일반적인 결과 - 열기관의 출력은 [유용하게 사용된 일(또는, Energy)] + [저온 열원으로 흘러 들어간 폐열] 저온 열원으로 들어간 폐열은 내부 E를 증가시키며 유용한 일로 사용된 E도 결국 마찰 등의 과정을 통해 내부 E로 변환. - 열기관의 효과는 고온 열원의 내부 E를 저온 열원의 내부 E로 바꾼 것이 되고, 이 내부 E는 결국 더 이상 일을 할 수 없는 “쓸모없는” Energy가 된다. . Entropy(무질서도)*1, S - Energy 변환 과정에서 버려진 “쓸모 없는,” 혹은 “저질,” “분산된” Energy – 외부 일을 하는 데 쉽게 이용할 수 없는 Energy의 양을 표현하기 위해 도입된 물리량. - ☞ Section 3.4에 설명한 것처럼 모든 계는 열역학적 안정 상태로 가기 위해 Energy를 최소화하려는 경향이 있다고 하였는데, 이 표현에서 Energy는 단순히 하나의 물리량으로 표현 할 수 있는 것이 아니며, 위에 설명한 것처럼 Energy 흐름의 “자연스러운 과정”은 Energy의 분산이라는 과정이 따르고 이를 계의 무질서도가 증가하는 것으로 해석하므로 주어진. 온도에 해당하는 무질서도를 같이 고려해야 한다. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Chapter 05 온도와 열 5.7 열기관과 열역학 제2법칙 (계속) • 열역학 제2법칙의 다른 표현 . 앞서 설명한 것처럼 Energy의 흐름은 단순히 Energy가 옮겨짐으로써 계의 Energy가 낮아지는 것뿐만 아니라 자연스럽게 계의 무질서도를 증가시키는 결과를 가져오게 되는데, 이를. 통해 열역학 제2법칙은 다음과 같이 다른 형식으로 표현할 수 있다 “임의의 열역학 과정에서 계와 그 주변 전체의 Entropy는 항상 증가하거나 일정한 값을 가진다, 즉 DS ≥ 0 (우주의 Entropy는 항상 증가한다)”. . Entropy의 개념과 “쓸모없는 Energy” 양과의 연관성으로부터 (시간 경과에 따라) 앞으로 가는 임의의 과정에 대해 DS ·TR 이 계의 주변으로 전달되어야 하는데, 이 조건이 만족되지 않으면, 과정(또는 과정을 수행하도록 설계한 장치)은 있을 수 없다. DS는 계의 Entropy 변화 (단위 J ∙ K-1 = J / K), TR은 외부 환경의 온도(K). • 계의 Energy 변화의 해석 . 앞서 설명한 내용을 종합하여 계의 Energy 최소화와 무질서도 증가를 동시에 표현하면 아래와 같은 식이 된다. DG = DH - DS ·TR DG ; (Gibbs’) Free Energy 변화량,. (5S.2). DH ; Enthalpy 변화량. * 위의 식에서 우리가 이전까지 무질서도의 개념을 포함하지 않고 생각했던 Energy 항인 ‘Enthalpy’는 감소하는 것이 자연스러운 흐름이지만, 무질서도는 증가하는 것이 자연스러운 흐름이므로 전체 Energy(Free Energy) 의 변화를 표현하는 식에는 부호가 반대인 음(-)의 양으로 설정되어야 한다. Semiconductor Physics 2019 Fall. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Appendix 1 - 원자 구조와 원자 간 결합(Atomic Structure & Interatomic Bonding) A1. 결합력과 Energy • 원자 간 인력(Attraction)과 척력(Repulsion) . 인력과 척력은 모두 원자 간 거리의 함수 즉 FA & FR = f (Interatomic Distance). ∙ 인력, FA 주로 원자 간의 결합(Bond)의 종류와 원자 간 거리에 의존. *1. *1. (Coulomb 힘 - Coulomb의 법칙 에 의해 정의되는 인력). Coulombic Force, FC. r. FC = k0 (|Z1|e) (|Z2|e) / r2 k0 ; A0/4p eo (A0는 상수). 원자 1. 원자 2. eo ; 진공 유전율 ( = 8.85 x 10-12 F/m) |Z1|, |Z2| ; 두 Ion 거동에 따른 최외각 전자의 절댓값. . 척력, FR. e ; 전자의 전하 ( = 1.602 x 10-19 C). 원자 간 거리에 의존,. 척력이 지배적인 영역. 인력이 지배적인 영역. . 인력과 척력의 합을 FN이라 쓰면 아래와 같이 표현된다. FN = FA + FR. 원자 간에 힘이 존재하지 않는 거리 r0가 존재하는데, 이를 평형상태*2(Equilibrium)라고 한다 *2. 열역학적으로 계의 Energy가 최소 상태라는 의미. FA + FR = 0*3 *3. 위의 식은 FA, FR 이 모두 0 인 상태가 아니라 그 합이 0인 상태임에 유의. . 수학적으로 FA ≠ FR, FA = -FR 인 것은 FA, FR 의 부호가 서로 반대, 즉 서로 상쇄된다는 의미 즉, FA는 양(+)의 값, FR은 음(-)의 값을 가진다. Semiconductor Physics 2019 Fall. Figure A.1 (a) 고립된 두 원자 간의 거리 변화에 따른 척력, 인력과 총 힘의 변화 (b) 거리에 따른 Energy의 변화. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.

Appendix 1 - 원자 구조와 원자 간 결합 (계속) A1. 결합력과 Energy • 결합 Energy ∙ 결합 Energy(Bonding Energy) 1) 최소 위치 Energy 는 평형 원자간 거리(Equilibrium Distance, r0)에서 나타나는데, 무한대만큼 떨어져 있는 하나의 원자를 또 다른 원자에 근접시킬 때 나타나는 Energy의 최소값 (평형, Equilibrium : 열역학적으로 최소 Energy 상태, 가장 안정된 상태) 2) 1)의 반대과정을 생각해 본다면 평형 원자간 거리 r0 만큼 떨어져 있는 원자를 떼어 내어 무한대의 거리로 격리시킬 때 필요한 Energy가 결합 Energy가 된다. 3) 결합 Energy의 크기, 원자 간 거리에 따른 결합 Energy의 변화 양상, 평형 거리(r0)는 재료의 고유 특성, 또한 재료의 여러가지 물성이 Energy 변화의 양상과 결합 Energy에 의존. . 물리학적으로 Energy는 일반적으로 아래와 같이 표현된다. FA =. [Energy] = [Force(힘)] x [Displacement(변위)]. k0 (|Z1|e) (|Z2|e) / r2. FR = - B n / rn+1. 일을 하는 시간 동안 작용한 힘이 시각과 위치에 따라 일정치 않고 변화하므로, 수학적으로는 일반식으로 아래와 같이 표현 (어떤 힘에 의해 발생한 Energy는 그 힘이 가해진 구간에서 적분하면 얻을 수 있다). k0 ; A0 / 4peo (A0는 상수). eo ; 진공 유전율 ( = 8.85 x 10-12 F/m) |Z1|, |Z2| ; 두 Ion 거동에 따른 최외각 전자의 절댓값. E = ∫ F dr. e ; 전자의 전하 ( = 1.602 x 10-19 C) 따라서 이 원자계에서 순 Energy EN은 아래와 같이 표현되며, EA, ER은. * B,. 각각 인력과 척력에 의해 생성되는 Energy로서 아래와 같다. EA = ∫ FA dr = - ko (|Z1|e)(|Z2|e) / r = -. 𝟏. r. ∞. r. 4p e0. n 은 실험적으로 결정되는 값(Empirical Value),. n은 원자 결합의 종류에 따라 달라진다 (n = 8~10) A0는 해석 상으로는. 와 같이 유도되나 통상적으로 A와 더불어 실험적으로 결정. (|Z1|e)(|Z2|e) / r = - A / r. r. ER = ∫ FR dr = ∫ [- B n / rn+1]dr = B / rn ∞. ∞. r. r. r. EN = EA + ER = ∫ FN dr = ∫ FA dr + ∫ FR dr = - (A / r) + (B / rn) ∞. Semiconductor Physics 2019 Fall. ∞. ∞. Copyright by DH Lee. Dept. of SCEE, KDU. SCEE.