열역학법칙 5가지

열역학 법칙을 이해하자

열역학법칙은 제4법칙까지 있어서 은연중에 항상 열역학법칙이 4가지인가 보다?라고 생각하게 되어 헛갈린다. 열역학 법칙은 0법칙까지 포함하여 총 다섯 개다. 이제 헛갈리지 말자. 0법칙이 가장 기본인데도 불구하고 1~4법칙이 모두 발견된 후 뒤늦게 발견되었으므로 0법칙이 된 것이다.

만약에 제1법칙을 0법칙이라고 명명해 버렸었다면, 0법칙은 발견된 후 무엇이라고 이름을 붙였을 것인가? -1법칙...ㅋ, 항상 0은 비워 두자, 빈자리가 있어야 혹시 모를 발견에 대처가 되니까! 발견에 있어서 퍼스트로 발견되는 시작은 있어도 제로부터 발견되어 시작되는 시작은 없다. 가시적인 법칙이 발견된 후에야 비가시적인 법칙이 발견된다.

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1. ㅡ 열역학 제0법칙 : 열평형의 법칙

서로 같은 열적 상태에 있는 양자 간에는 에너지 교환이 일어나지 않는다.

세상은 에너지가 무조건 순환하도록 되어 있지 않고 이변이 없는 한 평형 상태를 유지하려고 한다.

이를 우리는 "안정적이다"라고 칭하는 것.

열용량(열량)은 열밀도라고 보아도 무방하다. 열밀도가 다르고 온도가 같은 두 물질이 접합했을 때 열교환이 없다는 이야기다.

열이 아닌 대부분의 물질은 거의 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 게 일반적이다. 이러한 일반적인 사고를 열에 적용한 결과 열역학 제0법칙의 발견이 늦어진 것이다.

이 법칙자체는 당연하지도 일반적이지도 않다. 열을 특수한 경우로 생각할 수 있다.

1법칙, 2법칙, 3법칙이 확립된 후에야 0법칙이 확립되었다. 이 사실은 계의 상태나 크기 같은 것에 상관없이 절대적인 척도가 될 수 있는 어떤 열역학적 개념, 즉 온도를 확립할 수 있게 해 주기 때문에 중요성이 인정되어 0법칙이 되었다.

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2. ㅡ 열역학 제1법칙 : 에너지 보존 법칙

에너지가 다른 에너지로 전환될 때, 전환 전후의 에너지 총합은 항상 일정하게 보존된다는 법칙이다.

보존의 법칙, 각운동량 보존 법칙과 함께 고전역학과 양자역학에서 일어나는 모든 물리 현상을 설명하는, 가장 중요하고 근본적인 세 가지 법칙 중 하나이다.

독일 철학자, 물리학자 헤르만 루트비히 페르디난트 폰 헬름홀츠(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz, 1821 ~ 1894)에 의해 발견되었다.

간단한 실험부터 자연에서 일어나는 수많은 물리현상까지 모두 포괄하는 법칙으로서 어떤 현상에 관여하는 모든 변수를 포괄한 고립계에 대하여 에너지의 총량은 항상 일정하다는 것.

질량 보존의 법칙과 동일한 의미를 공유한다.

에너지가 보존된다고 해서 함부로 에너지를 낭비하지 않아야 하는 이유가 있다 휴대전화를 오랫동안 사용하면 전기 에너지가 열에너지로 전환되면서 조금씩 뜨거워진다. 이 열에너지는 다시 사용하기 어렵다(열역학 제2법칙). 또한 텔레비전에서 방출된 화면의 빛과 스피커 소리는 빛에너지, 소리 에너지로 전환되어 퍼져나간 후에는 재사용하기 어렵다. 이처럼 모든 에너지는 재사용하기 어려운 열 에너지의 형태로 전환하는 경우가 많다. 에너지를 절약하고 효율적으로 사용하는 태도의 실천이 필요한 이유다.

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3. ㅡ 열역학 제2법칙 : 엔트로피의 법칙

고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다.

프랑스의 공학자 사디 카르노는 일 효율성을 최대로 만드는 가상의 기관인 카르노 기관을 제안한다. 후에 이 카르노 기관을 켈빈 경과 루돌프 클라우지우스 등의 물리학자가 연구하여 정립한 개념이 열역학 제2법칙이다.

엔트로피의 정의는 수학적으로 오직 미소微小

변화에 대해서만 정의가 내려졌기 때문에, 엔트로피 변화를 다룰 수 있었다. 반면에 정작 그 엔트로피가 실제 자연현상에서 어떤 물리적 현상에 대응하는 것인지에 대해 엄밀하게 나타내지는 못했다.

루트비히 볼츠만이 이 엔트로피의 미시적 의미를 통계역학적 관점에서 완전히 재정립하여 엔트로피의 정의는 현대 열역학에 이르게 되었다.

엔트로피란 무질서도를 나타낸다. 질서가 갖춰진 상태는 엔트로피가 낮은 것이며 질서가 흩어진 상태는 엔트로피가 높은 것이다. 무질서하다는 것은 다르게 말하면 무차별하다는 것과도 같다.

우리의 몸은 입자가 일정한 규칙에 따라 모여있는 상태이므로 엔트로피가 낮은 상태라고 볼 수 있다.

엔트로피가 '무질서함의 정도'라는 말을 정확히 표현하면, 엔트로피가 높아지면 궁극적으로는 모든 좌표가 균일한 평형 상태로 나아가게 된다는 의미로 해석해야 한다. 무질서도가 계속 증가(운동) 하다 보면 어느 지점에서 위치를 찾고 그 자리에 고정되는 상태가 온다는 의미다.

고립계(isolated system)에서는 엔트로피가 증가하는 현상만 일어나며 감소하지 않는다.

사용해 버린 에너지(엔트로피가 높은 상태)를 같은 양의 엔트로피가 낮은 에너지로 다시 되돌리는 것은 불가능하다.

계의 일부에서 엔트로피를 낮추는 것은 가능하지만, 그것은 계의 일부에만 해당되며 그것을 위해 외부에서 투입한 에너지 역시 소모된다. 소모한 에너지로 인해 전체적으로는 결국 엔트로피가 증가한다.

에너지는 가장 쓸데없는 열로만 쉽게 변환이 된다. 꼼수를 써서 제한된 공간에서 에너지를 열 이외의 다른 것으로 변환하더라도 일부는 열로 손실될 수밖에 없다.

가이아 이론으로 유명한 환경학자 제임스 러브록은 그의 저서 '가이아'에서 열역학 제2법칙을 어차피 해봤자 돈을 잃을 뿐이고 일시적으로 돈을 딸 수 있을지 몰라도 결국에는 모두 잃을 거라는 카지노 도박에 비유한 바 있다. 물론 제1법칙도 카지노를 포함한 모든 계에서의 돈의 총합은 일정하다고 동시에 비유하였다.

지금도 인류의 에너지 변환효율은 처참한 수준이며, 변환과정이 많아질수록 에너지의 대부분이 열로 버려질 뿐 원래 의도하는 일에 쓰이는 양은 극히 드물다는 것이다.

여름날에 덥다고 냉장고 문을 열어두면 냉장고 안의 냉기가 냉장고 밖으로 흘러나와 방 안을 시원하게 만들어 줄 수 있을까? 결국 더 더워진다. 왜냐하면 냉장고는 냉매를 이용해 내부의 열을 밖으로 이동시키는 장치일 뿐이기 때문이다. 거기에 냉매를 전송하기 위해 모터를 돌리는 과정에서 만들어지는 열이 더해져 방 안의 온도는 더 올라가게 된다.

물론 에어컨도 냉장고와 마찬가지로 열역학 제2법칙에서 벗어날 수 없다. 흡수되는 열보다 발생하는 열이 더 많다. 에어컨을 틀면 '우리 집'이라는 한정된 공간의 온도는 내려가겠지만, 전 지구적으로 보면 온도가 더 올라간다. 온난화로 인한 폭염을 견디기 위해 에어컨을 트는데, 그 에어컨 때문에 온난화가 더 심해지는 역설적 상황이 발생하는 것이다. 에어컨을 틀면 우리 집은 시원해지지만 지구는 더 더워진다는 말이 바로 열역학 제2법칙을 설명하는 말이다.

이러한 이유 때문에 실외기가 없는 에어컨은 존재할 수 없다. 열역학 제2법칙상, 실내온도를 낮추려고 노력하면 반드시 생산되는 냉기보다 더 많은 열이 발생하기 때문에 이 열을 바깥으로 배출하기 위한 장치가 어떠한 형태로든 반드시 존재해야만 한다. 가끔 스포츠신문이나 케이블채널에서 '실외기 없는 에어컨'이라는 이름으로 광고하는 물건을 볼 수 있는데, 이 역시 일반적인 에어컨의 실외기를 대체하기 위한 열 교환 방식이 반드시 필요하다.

예를 들어 수랭식 에어컨의 경우 냉매를 물로 식혀주며, 따라서 열을 받아 따뜻해진 물이 하수구를 통해 집 밖으로 버려진다. 이동식 에어컨의 경우에도 마찬가지로 냉매를 순환시키기 위한 모든 부품이 에어컨 내부에 들어있어 이동 설치가 용이하지만, 배기 덕트를 창문을 통해 달아 주는 등의 방식으로 더워진 공기를 반드시 실외로 빼내야 한다. 결국 열 교환 방식의 차이만 있을 뿐 냉매를 이용해 실내 공기가 가진 열을 외부로 빼낸다는 원리는 동일하며, 따라서 집 안의 공기는 시원해져도 무엇이 됐든 집 안의 공기가 아닌 무언가는 반드시 더 더워진다.

다른 열역학 법칙도 마찬가지지만, 열역학 제2법칙은 현재의 우주에서는 절대 무너지지 않는 것으로 여겨진다.

우주의 멸망과도 관련이 있는데 우주 멸망 가설 중 하나의 주요 이론이다. 전 우주의 모든 반응은 결국 엔트로피가 증가하는 방향으로 가므로, 언젠간 전 우주의 엔트로피가 무한대가 되어 아무런 반응도 일어나지 못하는 빈 공간이 되어 열역학적 사망에 의해 멸망할 것이라는 '빅 프리즈' 이론이다.

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4. ㅡ 열역학 제3법칙 : 네른스트-플랑크 정리

절대영도에서 엔트로피는 상수가 된다.

엔트로피는 절대영도에 가까워질수록 변화량이 0에 수렴하며, 엔트로피 자체도 절대영도에서 완전한 결정상태의 엔트로피는 0 J / K이다.

다만 자연현상에선 절대영도는 현실적으로 불가능하고 0 K으로 수렴할 뿐이다. 즉 수학적으로 치면 '무한소'라고 보면 된다. 발터 네른스트와 막스 플랑크가 정립하였다.

'왜 절대영도가 될 수 없다는 것이지?'라는 의문은 절대영도에서의 '엔트로피가 상수'라는 법칙에서 해답을 찾을 수 있다.

만약, 절대영도에서의 엔트로피가 상수가 아닌 다양한 값을 가진다면 그 사이에 엔트로피를 가지는 계를 만들어 등엔트로피 과정을 따라 절대영도에 도달시킬 수 있다.

반면에 절대영도에서의 엔트로피가 상수라면 해당 엔트로피를 가지는 계를 만들기 위해 무한한 숫자의 등온 과정과 등엔트로피 과정이 필요하다.

이를 간단명료히 하기 위해 역온도(사실 이름과는 달리 온도가 아닌 일의 역수이다)

라는 개념을 고안했다.

원래 열역학 제2법칙까지의 지식만으로는 엔트로피의 상대적인 크기만 알 수 있다. 하지만 제3법칙이 등장하면서 엔트로피의 크기를 절대적으로 구할 수 있게 되었다.

물론 어떤 계(system)들은 절대영도에 가깝게 내려가더라도 엔트로피가 0J/K이 아닌 경우가 있다. 이는 그 계의 바닥상태(ground state)가 한 개가 아니라 여러 개인 경우에 발생하는데, 이것이 잔류 엔트로피(residual entropy)다.

잔류 엔트로피(남은 엔트로피, Residual entropy)는 유리나 합금, 일산화탄소, 얼음 따위에서 절대영도가 되어도 남는 엔트로피다.

'남은 엔트로피'는 열역학 계가 절대온도 0도 가까이에서 열역학적 비평형상태(non-equilibrium state)에 있을 때의 엔트로피와 평형상태(crystal state)에 있을 때의 엔트로피 간의 차이를 의미한다. 잔여 엔트로피라고도 한다.

극저온에서 측정한 엔트로피를 절대영도에 보외 하여 구할 수 있다. 극저온에서도 남는 물질의 미시적 배치의 불규칙성에 유래한다.

이 용어는 응집물질물리학에서 주로 유리나 플라스틱 물질이 절대온도 0도에 가까운 온도에서 갖는 엔트로피를 기술할 때 사용된다. 일반적인 결정구조를 갖는 물질이 절대온도 0도에서 갖는 엔트로피는 열역학제삼법칙에 의해 0이다.

절대온도 0도에서 0이 아닌 엔트로피, 즉 남는 엔트로피를 갖는 경우는 그 물질이 냉각되어 절대온도 0도에 접근할 때 여러 미시상태(microstate)를 갖는 경우이다. 대표적으로 유리가 그러한 물질이다.

남은 엔트로피의 대표적인 사례로는 물이 고체화된 얼음을 들 수 있다. 이 사례는 미국의 화학자인 폴링(L. C. Pauling 1901–1994)이 소개하였다. 물 분자는 하나의 산소 원자와 두 개의 수소 원자가 결합한 것이다. 물이 냉각되어 얼음이 될 때, 결정구조를 형성하면서 이웃의 물 분자 덕분에 하나의 산소 원자 주변에는 수소 원자가 네 개 자리하게 된다.

물 분자가 직선 꼴이 아니고 약간 굽은 꼴이므로, 얼음 결정구조 속의 산소 원자 주변에 상대적으로 거리가 가까운 수소 원자가 두 개, 먼 수소 원자가 두 개 있다. 이 규칙을 만족하면서 산소 원자들 사이에 있는 수소 원자들의 배열 방식은 여러 가지이다. 이는 이 계의 온도가 절대온도 0도에 근접하더라도 여전히 유효하다. 따라서 얼음은 바닥상태에 근접하더라도 엔트로피가 0에 접근하지 않고, 유한한 값이 된다.

이렇게 이론적으로는 얼음이 '남은 엔트로피'를 보여주는 훌륭한 사례이지만, 실제 실험적으로 이 계를 구현하는 것은 매우 어렵다. 얼음 결정이 완벽하게 되려면 불순물이 전혀 없어야 하기 때문이다. 실험적으로 남은 엔트로피를 구현하는 것이 가능한 시스템으로는 기하학적으로 쩔쩔매는(geometrically frustrated) 스핀 얼음(spin ice)을 들 수 있다. 스핀 얼음은 이징 모형(Ising model)과 유사한 자성 물질의 배열로 구현할 수 있으며, 외부에서 자기장을 걸어주면 남은 엔트로피의 값을 조절할 수도 있다.

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5. ㅡ 열역학 제4법칙 : 온사게르 상반정리

1931년 라르스 온사게르(Lars Onsager)에 의해 도입되었다.

고온에서 저온으로 열이 흐르듯, 고압에서 저압으로 '밀도'가 흐른다.

역으로

압력이 똑같을 때, 온도 차이로 인해 밀도가 흐르고,

온도가 똑같을 때, 압력 차이로 인해 열이 흐르는 게 관찰된다.

압력 차이당 열흐름량과 온도 차이당 밀도흐름량이 동일하다.

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1. 열역학 제0법칙 : 열평형의 법칙

2. 열역학 제1법칙 : 에너지 보존 법칙

3. 열역학 제2법칙 : 엔트로피의 법칙

4. 열역학 제3법칙 : 네른스트-플랑크 정리

5. 열역학 제4법칙 : 온사게르 상반정리

0법칙, 3법칙, 4법칙도 내 생각에는 아주 중요한 것 같다. 이것은 우리 정신과 감정 심리에도 적용되기 때문이다. 대부분 1법칙과 2법칙에만 매몰되기에 길이 잘 보이지 않았던 것. 과학적인 용어로 생각을 정리하니 조으다!

이 열역학 법칙들은 나무위키에 나온 내용들 재배열한 것이다. 공식은 생략하였다. 언어로 설명되어야 일단 이해할 수 있고 사용할 수 있기 때문이다.

#열역학_제0법칙_열평형의_법칙

#열역학_제1법칙_에너지보존_법칙

#열역학_제2법칙_엔트로피의_법칙

#열역학_제3법칙_네른스트_플랑크_정리

#열역학_제4법칙_온사게르_상반_정리

*사진은_텃밭정원_밤_풍경/ 엔트로피가 낮은 상태(질서 있는 상태)