이세계에서 다시 보는 열역학 제2법칙

열역학 제2법칙은 에너지의 질적 평가를 할 수 있는 기준

 에너지의 질은 일(동력)로 변환될 수 있는 에너지의 양으로 판단한다. 열역학 제2법칙도 관찰과 경험에서 얻어진 자연법칙이다. 여기서 Kelvin-Planck의 표현과 Clausius의 표현을 소개하고, 가역과 비가역의 개념을 설명한다. Carnot사이클과 Carnot의 원리를 소개하고 열역학적 절대온도에 대하여 정의하고, 새로운 상태랑 엔트로피를 정의하고, 가역 및 비가역 과정에서의 엔트로피 변화량과 완전 가스의 엔트로피 일반식을 구하고, 완전 가스의 엔트로피 상태변화에 대하여 기술하며, 끝으로 유효에너지와 무효 에너지에 대하여 기술한다. 

 

열역학 제2법칙

 열역학 제1법칙에서 열은 본질상 일과 같은 에너지의 한 형태이며 열은 일로 변환할 수 있으며 그 역도 가능하다. 이것은 가역과정을 설명한 것으로 실제에 있어서는 열이 일로 변환하는 데는 제한이 있음을 우리는 잘 알고 있다. 예를 들면 몰 속에서 프로펠러를 회전시키면 물의 온도가 상승하게 된다. 이것은 열역학 제1법칙에 따라 일이 열로 바뀌는 것이다. 그러나 이렇게 상승된 물을 냉각시켜 온도를 감소시켜도 프로펠러는 회전하지 않는다. 이와 같이 일은 열로 쉽게 변환하지만 열을 일로 변환시키는 것은 용이하지 않음을 알 수 있다. 따라서 열역학 제1법칙은 열과 일의 변환에 대한 방향성이 없이 에너지 보존의 법칙에 따라 양적인 면만 표시한 것이다.

 

 우리들의 경험으로 알 수 있는 또 다른 예로는 열은 고온의 물질로부터 저온의 물질로 이동할 때 고온의 물질이 잃은 열량은 저온의 물질이 얻은 열량과 같다는 것은 열역학 제1법칙이 나타내는 바와 같으나 열은 항상 고온의 물질로부터 저온의 물질로 이동한다는 방향성에 대해서는 열역학 제1법칙만으로는 설명할 수 없다.

 

 이상의 두 가지 예에서 보는 바와 같이 자연계에서 일어나는 변화는 항상 일정한 방향성이 있으며 그것의 역방향으로의 변화를 일어나게 하려면 외부에 대하여 어떤 영향을 남기지 않고는 불가능하다는 것을 경험으로 잘 알고 있다. 이와 같이 여롸 일의 변환이나 열의 이동에 대해서 방향성의 제시가 필요하며 이를 설명한 것이 바로 열역학 제2법칙이다. 열역학 제2법칙은 모든 자연현상의 방향성을 다룬 넓은 의미를 나타낸 것으로 이를 표현하는 방법도 여러 가지 있으나 그중에서 몇 가지만 소개해보려 한다.