방향성을 갖는 현상과 열역학 제2법칙

방향성을 갖는 현상

 

온도 차이에 의한 열전달

온도가 서로 다른 두 물체가 접촉하고 있을 때, 온도가 높은 물체로부터 온도가 낮은 물체로의 연전달이 일어나며, 그 반대의 현상은 일어나지 않는다는 것을 일상생활에서 잘 알고 있다.

예를 들어 방 안에 있는 공기보다 더 뜨거운 물체는 공기로 열을 빼앗겨서 결국에는 차갑게 된다. 이 과정에서 물체가 잃은 에너지와 주위 공기가 얻은 에너지는 같고 이것은 열역학 제1법칙을 만족한다. 이 현상과 반대방향의 과정, 즉 방 안의 공기로부터 물체가 열을 전달받아 공기보더 뜨거운 물체가 더욱더 뜨거워지는 과정을 생각해 보자. 이 과정은 공기가 잃은 에너지의 양은 물체가 받은 에너지의 양과 같으므로 열역학 제1법칙을 만족시킨다. 그러나 이런 현상은 일어나지 않는다.

 

전기와 열

니크롬선과 같은 전기저항체에 전류를 흘려 열을 발생하는 전열기를 살펴보자. 전열기를 켜면 저항체에 공급된 전기에너지는 열로 바뀌어 공기에 전달된다. 이때 소모된 전기에너지는 공기로 전달된 에너지의 양과 같으므로 이 과정은 열역학 제1법칙을 만족한다.

그러나 이 과정을 거꾸로 되돌리는 현상은 일어나지 않는다. 즉 저항체를 가열하여도 저항체에는 전류가 흐르지 않는다. 공기가 저항체에 공급한 열과 저항체에 발생하는 전기에너지가 같으면 이 과정은 열역학 제1법칙을 만족하지만 이와 같은 일은 일어나지 않는다.

 

마찰

고체와 고체 사이의 마찰이나 유체 유동에서의 마찰은 기계적인 에너지를 열에너지 형태로 소산 시킨다. 그러나 발생된 열에너지가 자연스럽게 기계적인 일로 변환되고 원래 상태로 되돌아가는 일은 일어나지 않는다.

예를 들어 물체를 낙하시켜 날개바퀴를 돌리는 장치를 생각해 보자. 물체가 낙하하면 회전하는 날개바퀴가 용기 안에 있는 유체를 휘젓게 되고 날개와 유체 사이에서 마찰열이 발생한다. 이 과정에서 에너지 보존법칙에 의해 물체의 위치에너지는 감소하고 유체의 내부에너지는 증가한다. 그러나 이 과정을 거꾸로 되돌리는 과정, 즉 유체에서 날개바퀴에 열을 전달하여 물체를 본래의 위치로 들어 올리는 과정은 열역학 제1법칙을 만족하여도 자연적으로 일어나지는 않는다.

 

자유팽창과 혼합

단열된 용기를 얇은 막으로 분리한 후, 한쪽에만 기체를 넣었다가 막을 파괴하면 기체는 용기 전체에 고르게 분산된다. 즉 처음의 기체 부피는 V이과 나중 부피는 2V가 된다. 이와 같은 것을 자유팽창이라고 하며 용기 내부 전체를 하나의 계로 생각하면 외부로의 열전달이 없으므로 계의 내부 에너지는 막의 파괴 전후에 동일하고 대부분에 저압기체에서 온도 변화도 거의 없다. 여기에서 기체가 다시 원래의 부피(V)로 저절로 압축된다는 것은 상상하기도 어려우며 아직 그러한 경우가 관찰된 바는 없다.

이와 비슷한 예는 막의 좌우에 서로 다른 두 기체가 있는 경우이다. 이 같은 경우에도 막을 파괴하면 두 기체는 자연스럽게 혼합된다. 그러나 혼합된 후 저절로 두 기체가 분리되어 원상태로 되돌아가는 일은 일어나지 않는다.

 

열역학 제2법칙

열역학 제2법칙의 정의

이상에서 살펴본 바와 같이 자연계에서 일어나는 과정은 어떤 정해진 방향성을 가지고 있다. 이러한 방향성으로 인하여 열역학 제1법칙을 만족하지만 실제 자연에서는 일어날 수 없는 현상이 많이 있으며 이러한 경험과 실험결과 등을 일반화하여 열역학 제2법칙이라 부른다.

열역학 제2법칙은 단순히 열을 일로 변환하는 경우를 한정하여 표현하는 것이 아니라 모든 자연현상이 어떤 제한(방향성)을 받고 있는 것을 나타낸다. 즉, 자연현상은 어떤 정해진 방향으로 일어나고 그 과정을 거꾸로 되돌리는 일은 스스로 일어나지 않는다.

열역학 제2법칙은 여러 사람들에 의해 여러 가지로 서술되었는데, 대표적인 것은 켈빈-플랑크(Kelvin-Plank) 서술과 클라시우스(Clausius) 서술이다.

 

Kelvin-Plank(켈빈-플랑크) 서술

"하나의 열원(heat source)으로부터 열을 전달받아 사이클의 과정으로 열을 일로 변환시키는 열기관을 만들 수 없다" 이 말은 어떤 열원으로부터 전달받은 열의 일부가 일로 교환되고 나머지의 열은 다른 낮은 온도의 열원으로 방출해야 한다는 것을 의미한다. 즉, 열효율 100%의 열기관은 존재하지 않는다는 것을 뜻하고 있다.

열효율이 100%인 기관을 제2종 영구기관이라 한다. 이것은 공급된 열을 모두 일로 바꾸는 기관으로 열역학 제2법칙에 어긋나므로 만들 수 없다.

 

Clausius(클라시우스) 서술

"낮은 온도의 물체로부터 그보다 높은 온도의 물체로 열을 전달하는 것 외에 다른 어떠한 변화도 남기지 않고 사이클로 작동하는 장치를 만들 수 없다." 이 말은 냉동기나 열펌프와 관련이 있다. 즉, 열은 고온부로부터 저온부로 이동하지만 자연적으로 저온부에서 고온부로 흐르지 않는다. 따라서 주위로부터 냉동기로 일의 전달이 있어야 냉동기를 사용하여 저온의 물체로부터 고온의 물체로 열을 전달할 수 있다는 것을 의미한다.