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열역학 법칙
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상반 법칙

v  d  e  h

물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가 감소하지 않는다는 법칙이다. 이 법칙을 통해 자연적인 과정의 비가역성미래와 과거 사이의 비대칭성을 설명한다.

열역학 2법칙을 통해 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유와 열원(reservoir)에서 열에너지가 모두 일로 전환될 때, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다는 점에 대해 설명할 수 있다.

열역학 제2법칙의 모순처럼, 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소하는 것으로 볼 수도 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해주어서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 하지만 방 안으로부터 방출되거나 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 생성한다. 따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다.

역학에서 열역학의 기본 관계를 사용하여 표현된 제2법칙은 계의 을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 가역과정에서 미소 열 을 흡수한 온도가 T인 계의 엔트로피 변화는 로 주어진다.

또한 열역학 2법칙에 따르면 총 일의 생산에 있어, 열의 이동은 뜨거운 열원에서 차가운 열원으로 향하므로 영구 기관은 존재할 수 없다.

열역학 제1법칙이 과정 전, 그리고 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하는 반면, 열역학 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제한다.

목차

법칙의 다른 표현편집

열역학 제2법칙은 다양한 방법으로 서술될 수 있다.[1] 특히 루돌프 클라우지우스(1854), 켈빈 남작(1851), 콘스탄티노스 카라테오도리(1909)의 서술이 대표적이다.[2] 이러한 서술은 특정한 과정의 불가능성을 언급하면서 일반적인 물리적 용어들을 제시했다. 클라우지우스의 서술과 켈빈의 서술은 동등한 것으로 여겨진다.[3]

켈빈-플랑크의 서술편집

켈빈 남작막스 플랑크는 열역학 제 2법칙을 다음과 같이 서술했다.

열원으로부터 열을 흡수하여 일로 바꾸기만 하는 과정은 불가능하다.[1]

클라우지우스의 서술편집

독일의 물리학자 루돌프 클라우지우스는 저온의 물체에서 고온의 물체로 열을 전달시키는 것이 유일한 결과인 과정은 불가능하다고 서술했다.[1]

두 서술의 동등성편집

 
이 그림을 이용하여 켈빈의 서술을 클라우지우스의 서술으로부터 유도할 수 있다.

그림과 같이 켈빈의 서술을 클라우지우스의 서술로부터 유도할 수 있다.

역사편집

통계 역학편집

통계역학은 엔트로피가 확률에 의해 지배받는 요소라는 것을 입증한다. 따라서 무질서의 감소가 닫힌계 안에서도 일어날 수 있다. 그러나 이것이 나타날 확률은 매우 작기 때문에 이러한 현상이 나타나더라도 계의 매우 적은 입자들에만 영향을 미치는 일시적인 감소이다.

같이 보기편집

각주편집

  1. “Concept and Statements of the Second Law”. web.mit.edu. 2010년 10월 7일에 확인함. 
  2. Lieb & Yngvason (1999).
  3. Rao (2004), 213쪽.
  4. (Claus), Borgnakke, C. (2014). 《Fundamentals of thermodynamics》 8판. [Place of publication not identified]: John Wiley & Sons Inc. ISBN 1118321774.