15. 열역학 제 2 법칙

열역학

PART 15. 열역학 제 2 법칙 Second Law of Thermodynamics

열과 일 사이의 전환관계

-클라지우스

열이 저절로 낮은 온도 → 높은 온도로 흐르는 일은 X

-캘빈

고온의 열원에서 열을 공급받아 모두를 일로 전환하면서, 우주에 어떤 변화도 초래하지 않는 것은 불가

-플랑크

하나의 열원으로부터 열을 이동시켜 그 열량과 동일한 일을 수행하게 하는 순환공정은 존재 X

위 세가지 진술은 결국 같은 의미

이것이 열역학 제 2 법칙이다.

열 - 일 상호관계, 열에너지를 이용하여 동력기관을 운전함으로써 얼만큼의 유용한 일을 얻을 수 있는가?

즉, 동력 전환 시키는데 일종의 한계를 규정한다.

열 - 일 전환 과정을 열역학 제 1 법칙 만으로 설명하기에는 충분 X (우주의 에너지는 보존)

EX)

우주를 고립계라 할 때, 열을 이용하여 일을 해도 총 에너지는 유지

어떤 종류의 일이 발생하더라도 고립계의 총 내부 에너지는 일정

그러므로 내부 에너지 개념

즉, 제 1 법칙만으로 어떤 일이 발생하는지 아닌지의 정보를 얻을 수 없다

다시말해 제 1법칙은 어떤 과정의 방향성을 제시 해주지 X

열역학 제 1 법칙은

우주에서 발생하는 자연적 그리고 인위적 현상이 실제로 일어나는 방향을 규정한다.

EX)

줄의 실험

물체가 내려가 날개가 회전해 물의 온도가 상승

모두를 하나의 계라고 생각하면 총 에너지는 변화 X (열 1 법칙)

여기서 온도가 높아진 물을 냉각시켜서 낙하한 물체를 원래 위치로 상승이 가능 할까?

물에서 열이 외부로 이동하여 온도가 낮아져도 우주의 총 에너지는 변화 X (열 1 법칙)

But, 물의 온도를 내려도 본래 위치로 상승은 안함(∵ 열 2 법칙 위배)

If, 물의 온도를 내려 방출된 열을 이용해 임의의 기구를 작동시켜

이 힘으로 물체를 상승 시킬 순 있다.

But, 열에너지만으로 물체를 원위치 시키는 것은 불가능 = (열 2 법칙 관점) 열을 완전히 일로 전환 시키는 것은 불가능

In 동력기관, 고온에서 열을 받아 동력을 발생 시킨 다음 저온으로 열을 방출

일로 전환되는 열은 일부에 지나지 않는다.

주울의 실험에서 물체 하락 과정은 일이 공급되어 열이 발생하는 과정

이때, 일은 전량 열로 변화

여기서, 물체를 원위치로 상승시키기 위해서는 애초에 공급된 동력과 동일한 일을 발생시켜야한다.

But, '물의 열을 전량 일로 바꿀 순 없다' 는 것이 '열역학 제 2 법칙' 이다.

따라서, 이 열과정은 일어날 수 X

이와같이, 제 2 법칙은 어떤 현상이 일어나는 방향성을 제시해주는 법칙이다.

EX)

뜨거운 물체 → 차가운 물체

결국 두 물체의 온도는 같게 될 것이다.

이 현상은 자발적

변화는 고온의 물체가 냉각되는 방향으로

But, 역방향은 불가능

즉, 온도가 같아진 두 물체에서 열이 이동하여 한 물체는 뜨거워지고 다른 물체는 차가워지는 현상은 비자발적이다.

물에 물감 한 방울이 저절로 확산

역으로 농축되는 일은 저절로 일어나지 X

이와 같이 변화가 일어 날 때는 항상 그 방향이 정해진다.

그 방향은 변화가 끝나는 최종상태

그리고 반대방향으로 저절로 돌아가지 않는다.

즉, 모든 변화는 비가역적

비가역적 과정이 일어 날 때 우주의 에너지는 일정하다(열 1 법칙)

그러나, 비가역적 과정이 일어나면 에너지의 일부는 쓸모 없는 형태로 변화한다.

이러한 변화의 진행 방향을 규정해주는 원리가 2 법칙

열열학 제 2 법칙은 한마디로 자발적으로 일어나는 비가역과정을 스스로 원상태로 되돌릴 수 없다는 것이다.

비가역과정이 일어난다는 것은 어떤 현상이 발생 될 확률이 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이동하는 것이다.

EX)

두 용기에 산소 / 질소관으로 연결하면 완전 혼합

두 분자들을 무작위로 질소 없이 배열 될 것이다.

여기서, 분자들은 계속 운동을 하기 때문에 배열 방법이 계속 변화

결국 분자들이 무질서하게 배열 될 확률은 매우 크다

같은 분자끼리 모여 있을 때는 어느 정도 질서가 있음

이렇게 질서 있게 배열 될 확률은 무작위 배열 확률 보다 작다.

따라서, 두 성분의 배열은 확률이 낮은 곳에서 높은 쪽으로 이동

이 과정은 비가역적

카르노 사이클에서 열역학 제 2 법칙이 나온다.

열을 이용해 일을 수행하는 이상적인 가역공정

이 공정은 피스톤과 실린더로 구성

실린더 내부에 유체

이 유체는 고온에서 열을 받아 팽창 - 압축을 거쳐 일을 수행하고

저온으로 일정량의 열을 방출하여 원상태로 돌아오는 순환공정을 거친다.

그러므로, 이 공정은 공급된 열을 전량 일로 전환이 불가하다.

반드시, 일부의 열을 외부로 폐기해야한다.

한편, 공급된 열을 모두 일로 바꾸는 장치를 상상 할 순 있다.

예를 들어, 무한대로 길고 마찰 = 0 인 실린더와 피스톤 장치를 생각한다면,

열이 공급되고 피스톤이 계속 상승만해 일을 연속해서 발생시킨다.

그러나, 불가능하다.

따라서, 동력장치는 초기의 상태로 돌아오는 순환공정이 되어야한다.

카르노 사이클은 순환공정을 가진 효율이 가장 높은 기관