안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
열역학 제1법칙은 에너지보존법칙을 열까지 포함하도록 넓힌 버전이에요. 같은 원리인데, 열이 에너지의 한 형태라는 걸 인정하는 순간 두 법칙이 하나로 합쳐져요.
역학에서 배우는 에너지보존은 운동에너지와 위치에너지의 합이 일정하다는 거예요. 그런데 이건 마찰이 없을 때만 성립해요. 실제로 공을 굴리면 결국 멈추고, 역학적 에너지가 사라진 것처럼 보여요. 19세기 전까지는 열이 에너지가 아니라 칼로릭이라는 별도의 물질이라고 여겨서 이 손실을 설명하지 못했어요.
판을 바꾼 건 줄의 실험이에요. 추를 떨어뜨려 물속 날개를 돌리면 물의 온도가 올라가는데, 떨어진 추의 위치에너지와 물이 얻은 열이 정확히 일정한 비율로 대응한다는 걸 보였어요. 사라진 역학적 에너지가 열로 바뀌었던 거예요. 이때부터 열도 에너지의 한 형태라는 게 확립됐어요.
제1법칙은 이걸 식으로 정리한 거예요. 계의 내부에너지 변화는 계가 받은 열에서 계가 한 일을 뺀 값과 같다. 내부에너지는 물질 속 분자들의 운동과 결합 에너지를 모두 합친 거라, 결국 에너지는 열이나 일의 형태로 드나들 뿐 새로 생기거나 없어지지 않는다는 뜻이에요.
그러니까 두 법칙은 같은 원리를 적용 범위만 다르게 말한 거예요. 역학의 에너지보존은 거시적인 운동만 다루고, 제1법칙은 분자 수준의 무작위 운동인 열까지 장부에 포함시켜요. 열역학에서 굳이 제1법칙이라는 이름을 붙이는 건 열기관처럼 열과 일이 오가는 상황을 분석할 때 이 형태가 가장 편리해서예요 :)