열역학 제2법칙
법칙
클라우지우스: 스스로 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 열을 보내는 과정은 존재하지 않는다.
켈빈: 열을 완전히 일로 바꾸는 과정은 존재하지 않는다.
설명
열역학 제2법칙 에 대한 독일의 물리학자 클라우지우스clausius와 영국의 물리학자 켈빈kelvin의 진술은 서로 동치다. 가장 유명한 것은 그리스의 수학자 카라테오도리Καραθεοδωρή의 진술로, ‘닫힌 계의 무질서도는 감소하지 않는다’가 있다. 이 말은 종말론을 긍정하는데다가 ‘뜨겁다’거나 ‘일’ 같은 말을 쓰지 않아서 멋있기 때문에 문외한들이 특히 좋아한다. ‘슈뢰딩거의 고양이’처럼 진지한 고찰 없이 유사과학만을 선택적으로 취한 사람들이 즐겨 인용하는 개념이다. 자세한 설명을 위해 위 법칙에서 등장하는 단어들을 조금 더 엄밀하게 정의해보도록 하자.
차가운colder것은 상대적으로 온도가 낮은 것을 말한다.
뜨거운hotter것은 상대적으로 온도가 높은 것을 말한다.
열을 일로 바꾸는 것을 과정process이라고 한다.
외부에서 열을 받아 과정을 수행하는 닫힌 계를 열기관engine이라 한다.
열기관이 열 $Q_{h}$ 받았을 때 하는 일을 $W$ 라고 하자. 이때 $\eta : = \dfrac{W}{Q_{h}}$ 를 효율efficiency이라고 한다.
열기관의 예로써 증기기관, 열기구 등이 있다. 효율은 ‘기관에 제공한 에너지 중에서 내가 원하는 일로 바꾼 비율’을 나타내므로 상식적인 정의라 볼 수 있다.
차가울 때를 파란색과 $l$, 뜨거울 때를 빨간색과 $h$로 두고 도식화하면 위와 같이 나타낼 수 있다. 온도가 높은 곳에서 에너지 $Q_{h}$를 받아서 그 중 일한만큼을 소비한 후의 에너지를 남기는 것이다.
클라우지우스: 스스로 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 열을 보내는 과정은 존재하지 않는다
위의 그림은 클라우지우스의 열역학 제2법칙을 도식화한 것이다. 클라우지우스의 진술은 쉽게 말해 ‘열은 반드시 높은 곳에서 낮은 곳으로만 흐른다’고 할 수 있다. 이 법칙이 틀렸다면 물이 아래에서 위로 흐르고 가만 있던 갑자기 없던 에너지가 생겨서 뜨거워질 수도 있을 것이다.
물론 위와 같이 기관이 외부에서 일을 받는다면야 이야기는 다르다. ‘스스로’ 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 열을 보낸 과정은 아니기 때문에 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 열이 전달되었다. 이는 열역학 제2법칙에 위배되는 것이 아니라 그 이전에 ‘닫힌 계’라는 가정을 만족하지 않았기 때문에 가능한 것이다.
켈빈: 열을 완전히 일로 바꾸는 과정은 존재하지 않는다
위의 그림은 켈빈의 열역학 제2법칙을 도식화한 것이다. 켈빈의 진술은 쉽게 말해 ‘무손실’이란 있을 수 없다는 말이다. 이 법칙이 틀렸다면 갈릴레이의 사고 실험은 진짜 실험이었을 것이고, 영구기관도 존재할 것이다.