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엔지니어가 이해해야 할 열역학 법칙[견해 + 논문] | ||
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열역학법칙 (熱力學法則 law of thermodynamics) 열역학 제0법칙 외계로부터 고립시켜 물체를 방치해 두면 아무 변화도 일어나지 않는 상태가 된다. 이 상태를 열평형상태라 한다. 2개의 물체를 접촉시키면 처음에는 한쪽에서 다른 쪽으로 열의 이동이 생기는데, 오랜 시간이 흐르면 결국 아무 변화도 일어나지 않게 된다. 이때 두 물체는 서로 열평형에 있다고 한다. 열평형에 있는 두 물체 사이에서는 열의 주고받기가 상쇄된다. 열평형에 관하여 ＜물체 A와 B가 열평형에 있고 B와 C가 열평형에 있으면 A와 C도 열평형에 있다＞라는 법칙이 성립된다. 이 법칙은 열역학의 체계가 만들어진 후에 J.C. 맥스웰이 기본법칙의 하나로 정했기 때문에 열역학제 0 법칙이라고 한다. 열역학제 0 법칙에 의해 경험적 온도를 생각할 수 있게 되어 온도계의 사용이 가능해졌다. 즉, 물체 B를 물체 A와 열평형상태로 한 후에 물체 C와 접촉시켰을 때 B에 어떤 변화도 인정되지 않는 경우 A와 C는 같은 온도에 있다고 한다. 이때 B는 온도계의 역할을 하게 되며, 변화의 유무는 예를 들면 수은주의 높이로 측정한다. 열역학 제1법칙 먹은 만큼 일하고 싼다는 개념으로 열과 일의 이동중 발생할 수 있는 손실을 고려되지 않은 이론이다.. 이는 제 1종 영구기관의 존재에 모순되는 이론이라 하겠다 물리학의 가장 기본적인 법칙의 하나는, 어떠한 물리적 변화에서도 그것과 관계되는 모든 물체가 지닌 에너지의 합은 불변이라는 에너지보존법칙이다. 열역학제 1 법칙은 이 에너지보존법칙에 해당되는데, 특히 열이 에너지변화의 한 형태라는 것을 명시하여 다음과 같이 서술한다. ＜물체를 어떤 정해진 상태에서 다른 정해진 상태로 옮기기 위해 외계에서 물체에 주어야 하는 열량 와 일 의 합 ＋는 어떠한 방법에 의해서도 일정하다. 즉, 상태 a에서 b로의 변화에 필요한 전체에너지 ＋는 최초의 상태 a, 최후의 상태 b만으로 정해지며, 그 과정과는 관계없다. 여기서 역학적에너지·전자기적에너지·화학적에너지 등을 총칭하여 일이라고 한다. 또 물체가 외계에 열이나 일을 주는 경우에는 그 양은 (－)값을 취하는 것으로 한다. 위에서도 언급되었듯이 만약 제 1 법칙이 성립하지 않는다고 하면 a → b라는 상태변화와 그 역변화 b → a를 다른 과정에서 일으킴으로써 무(無)에서 에너지를 만들어낼 수 있다. 즉 무에서 에너지를 만들어내는 장치인 제 1 종영구기관이 가능해 진다. 열역학 제2법칙 역학에서 취급하는 운동은 모두 가역인데, 가역이란 어떤 운동이 가능하면 그것을 반대방향으로 진행시키는 운동도 가능한 것을 뜻한다. 그러나 아주 많은 입자로 구성된 거시적 물체에서는 변화가 일정한 방향으로만 진행되고 그 역변화는 생기지 않는 경우가 많다. 운동은 마찰에 의해 감쇠되어 열이 발생하지만 그 역변화는 일어나지 않는다. 또한 잉크를 물 속에 떨어뜨리면 확산되지만 자연히 모이는 일은 없다. 이같은 변화를 비가역변화라고 한다. 열역학제 2 법칙은 자연계에 생기는 열현상이 어떤 방향으로 진행하는가를 서술한 것이다. 서로 동등한 열역학제 2 법칙에 대한 표현방법이 몇 가지 있는데, 그 중 대표적인 2가지는 다음과 같다. 하나는 ＜열은 고온에서 저온으로 이동한다＞라는 표현이다. 즉 열의 이동은 비가역적이므로, 저온에서 고온의 물체로 열을 운반하면서 그 이외에는 어떤 변화도 남기지 않는 역과정은 불가능하다. 일이 열이 되는 과정은 비가역적이다라는 것이다. 따라서 그 역과정을 행하는 장치, 즉 열원에서 열을 받아 그것을 모두 일로 바꾸면서 그 이외에는 어떤 변화도 남기지 않고 원래상태로 되돌아가는 장치인 제 2 종영구기관은 불가능하다. 제 2 종영구기관이 열역학제 1 법칙에 어긋나지 않는 점에 주의해야 한다. 만약 제 2 종영구기관이 가능하다면 대기나 바닷물에서 열을 취해서 전력으로 바꿀 수 있으므로, 특별히 석유를 연소시키거나 핵반응을 일으켜 높은 온도를 만들지 않아도 발전할 수 있게 된다. 그러나 우리 경험에 의하면 현실적으로 이런 일은 있을 수 없으므로 열역학제 2 법칙이 보편적으로 성립한다고 할 수 있다. 열을 일로 바꾸기 위해서는 반드시 고온의 열원과 저온의 열원이 필요하며, 열의 일부를 저온열원에 버려야 한다. 열역학제 2 법칙은 당연한 것을 설명하는 것처럼 생각되지만, 열역학제 1 법칙과 짜맞추면 열역학체계가 그 위에 전개된다. 열이 고온에서 저온으로 이동할 때 엔트로피는 반드시 증가한다. 열역학제 2 법칙은 1820년 무렵의 N.L.S. 카르노의 열기관에 관한 선구적 연구를 기초로 클라우지우스·켈빈에 의해 기본법칙으로 인식되었다. 열역학 제3법칙 한마디로 절대 0 도로의 접근은 불가하다는 것이다. 열역학제 2 법칙에서 정해지는 것은 물체의 2개의 열평형상태에서의 엔트로피값의 차(差)이다. 예를 들면 일정한 양의 기체를 임의의 열평형상태에서 온도와 압력이 다른 상태로 옮겼을 때 엔트로피의 변화량이 정해진다. 따라서 상수만의 임의성이 남게 되며, 특히 절대영도에서의 물체의 엔트로피값이 문제가 된다. 열역학제 3 법칙은 일반적으로 물체가 지닌 엔트로피는 온도가 0K에 가까워지면 0이된다는 것을 주장한다. W.H. 네른스트는 기체·액체 등의 열적 성질을 상세히 연구하여 1906년에 발표한 논문에서, 절대영도에 가까워지면 어떠한 변화에서의 엔트로피변화도 0과 같아진다는 정리를 제출했다. 열역학제 3 법칙은 이 네른스트의 정리를 M.K.E.L. 플랑크가 정밀화한 것으로, 네른스트의 열정리 또는 네른스트-플랑크의 열정리라고도 한다. 
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