무엇을 계로 정하는가
뚜껑을 닫은 용기 속 기체를 분석할 때는 어디까지를 계로 볼지 먼저 정한다. 물질이나 에너지가 경계를 통과할 수 있는지에 따라 적용할 조건이 달라지기 때문이다. 주변과 열이나 일을 주고받지 않는 이상적인 고립계는 특별한 경우다.
온도와 에너지의 차이
온도는 열평형을 설명하는 상태량이다. 같은 온도의 물이라도 양이 다르면 내부 에너지가 같다고 할 수 없다. 열은 계가 보유한 물질처럼 세는 양이 아니라 온도 차이에 의해 경계를 넘어 전달되는 에너지다.
일은 힘에 의한 경계의 이동 등 다른 방식의 에너지 전달을 설명한다. 기체를 압축하거나 팽창시킬 때 열과 일이 어떻게 오가는지에 따라 내부 에너지의 변화가 달라진다.
보존 법칙과 방향의 제약
열역학 제1법칙은 내부 에너지의 변화와 열 및 일의 전달을 연결한다. 계산식의 부호는 계가 한 일을 양으로 보는지 등 약속에 따라 달라지므로 정의를 함께 확인해야 한다.
제2법칙은 가능한 변화의 방향에 제약을 준다. 고립계의 총엔트로피는 감소하지 않는다. 특정 부분의 엔트로피가 줄어드는 과정이 가능하더라도 주변까지 포함한 전체의 변화를 함께 고려해야 한다.
기관과 냉각 장치
열기관은 열의 전달을 이용해 일을 얻고, 냉동기와 열펌프는 일을 공급받아 열을 옮긴다. 이상적인 조건에서도 적용되는 효율의 한계가 있으며, 마찰과 비가역적인 전달은 실제 장치의 성능을 더 제한한다.