열역학 제2법칙

열역학 제2법칙

The second law of thermodynamics

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.

  • 을 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.

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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

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    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.

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    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

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    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.

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