열역학, 거스를 수 없는 자연의 법칙

열역학의 법칙들

시간이나 중력과 마찬가지로 우주에는 모두에게 똑 같이 적용되는 법칙이 있다. 열역학 법칙이다. 아직까지 이 열역학 법칙에 위배되는 사례는 단 한건도 발견되지 않았다. 생명체의 탄생과 성장,  그 자체는 열역학 제2법칙을 위반하는 것이다. 따라서 생명이 만들어지기 위해서는 생명체 자체가 가지는 에너지보다 더 많은 에너지를 환경에서 흡수해야만 한다. 지구적인 관점에서 보면 그 에너지 대부분은 태양에서 온다.

우주의 온도는 5°K 정도이다. 절대 영도에 가까운 차가운 우주는 별들이 내는 핵융합에너지가 없으면 암흑과 다름없다. 우리 인간은 우주가 생성될 때 만들어진 수소를 강력한 중력의 힘으로 응축하여 핵융합 일으키는 별들의 에너지를 광합성이라는 기작을 통해 화학에너지로 바꾸는 미생물과 식물에게 전적으로 의존하고 있다.

우주는 더욱더 빠르게 팽창하고 있고, 이에 따라 조금씩 식어가고 있다. 아인슈타인의 상대성 원리에 따라 시간이 느리게 흐를 수 있을지라도 엔트로피가 증가하는 것은 되돌릴 수 없다. 우리는 단지 물결을 조금 거스를 수 있을 뿐이다. 하지만 그 속에는 지금까지 존재하지 않았던 상상력이 무한히 펼쳐진다. 

열역학 법칙에 대해 간단히 소개하면 다음과 같다.

열역학 제1법칙

열역학 제1법칙은 에너지 보존에 대해 다루고 있어 “에너지 보존 법칙”이라고도 불린다. 닫힌 역학계에서 에너지의 형태가 어떻게 바뀌더라도 총에너지의 합은 일정하다는 것이다. 좀 더 과학적으로 이야기하면 일과 열은 다 같이 에너지의 한 형태로서 열은 일로 또 일은 열로 변화시킬 수 있으며, 이때 열과 일 사이의 비는 항상 일정하다. 

화학을 배울 때 항상 좌측의 반응물과 우측의 생성물의 질량이 동일하도록 맞추는 것을 가장 처음으로 하게 되는 데 그것을 질량보존의 법칙으로 설명한다. 화학에서는 어떤 반응 전후가 되더라도 질량은 동일하기 때문이다. 아인슈타인의 유명한 공식 E=mc²에 의해서 질량이 에너지로, 에너지가 질량으로 바뀔 수 있음이 밝혀진 후 이 질량보존의 법칙이 모든 경우에 맞는 것은 아니지만 이를 에너지 까지 확대한 에너지 보존 법칙은 아직 까지 공고하다.

열역학 제2법칙

“엔트로피는 증가한다”로 설명되는 열역학 제2법칙은 세상을 이해하는데 가장 중요한 법칙 중의 하나이다. 유식한 표현으로는 “어떠한 계의 총엔트로피는 다른 계의 엔트로피가 증가하지 않는 이상 감소하지 않는다”는 법칙이다. 클라우지우스는 "열은 고온에서 저온으로 흐른다"로 표현했고, 켈빈은 "일이 열이 되는 과정은 비가역적이다"로 표현했다. 이 법칙에 따라 열을 전부 일로 추출해 내는 것은 불가능하다. 그러므로 2종 영구기관은 존재하지 않는다.

한번 쏟아진 물은 저절로 컵에 다시 담기지 않고, 열은 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동할 수도 없다. 세상은 항상 무질서도(entropy)가 증가하는 방향으로만 움직이기 때문이다.

열역학 제3법칙

"물체의 온도가 절대 0도에 가까워짐에 따라 엔트로피 역시 0에 가까워진다." 쉽게 다른 말로 표현하면 “절대 0도에 도달하는 것은 불가능하다”이다. 이 말은 절대 영도(0°K, -273.15°C)가 되면 세상의 모든 것은 멈춘다는 말이다. 원자와 전자의 움직임마저도 멈추어서 세상은 완전한 암흑이 된다. 하지만 이 말은 역설적이게도 절대 0도는 결코 도달하지 못하는 온도라는 하한을 표현하고 있는 말이기도 하다. 이 온도는 물리적으로는 불가능하고, 수학적으로는 한계를 의미한다.