열역학 제2법칙 문서 원본 보기

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{{열역학 법칙}}
물리학에서 '''열역학 제2법칙'''({{lang|en|second law of thermodynamics}})은 열적으로 [[고립계|고립된 계]]에서 매 시각마다 계의 거시상태의 [[엔트로피]]를 고려하였을 때, [[엔트로피]]가 더 작은 거시상태로는 진행하지 않는다는 법칙이다. 즉, "[[열]]은 항상 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 흐른다"와 같으며, "[[열역학 사이클]]에서 모든 열이 [[일]]로 변환될 수는 없다"와도 같다.<ref>{{서적 인용|url=|title=A Modern Course in Statistical Physics|last=Reichl|first=Linda|author-link=Linda Reichl|date=1980|publisher=Edward Arnold|location=|page=9|isbn=0-7131-2789-9}}</ref><ref name="Rao">{{서적 인용|title=Chemical Engineering Thermodynamics|last=Rao|first=Y. V. C.|year=1997|publisher=Universities Press|page=158|isbn=978-81-7371-048-3}}</ref><ref name="Young&Freedman11th">Young, H. D; Freedman, R. A. (2004). ''[[University Physics]]'', 11th edition. Pearson. p. 764.</ref>

이 법칙을 통해 자연적인 과정의 [[비가역성]]과 [[시간의 화살|미래와 과거 사이의 비대칭성]]을 설명한다. 하지만 엔트로피가 감소된 거시상태가 될 확률은 극히 낮을 뿐 불가능은 아니다.

열역학 제2법칙은 열역학계의 물리적 성질로서 [[엔트로피]]의 개념을 정립한다. [[열역학 제1법칙]]에 나타난 [[에너지 보존]]의 요구를 따르더라도 금지되는 열적 과정이 있으며, 어떤 과정이 자발적으로 일어나기 위해 필요한 기준을 제시한다. 예를 들어 제1법칙은 컵이 탁자에서 떨어져 깨지는 것과 컵 조각들이 다시 모여 테이블로 뛰어드는 두 과정을 모두 허용하는 반면, 제2법칙은 전자를 허용하고 후자를 부정한다. 자연 과정의 비가역성은 [[시간의 화살]]이라는 용어로 설명되기도 한다.<ref>{David Sanborn Scott, The arrow of time, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 28, Issue 2, 2003, Pages 147-149, ISSN 0360-3199}</ref><ref>{{서적 인용|title=[[From Eternity to Here: The Quest for the Ultimate Theory of Time]]|last=Carroll|first=Sean|date=2010|publisher=Dutton|isbn=978-0-525-95133-9}}</ref>

제2법칙은 경험적 발견이며, 역사적으로 열역학 이론의 공리로 받아들여지게 되었다. [[통계역학]]은 원자 또는 분자의 큰 집합체 상태들의 확률 분포의 관점에서 법칙을 미시적으로 설명한다. 제2법칙은 여러 공식으로 표현된다. 엔트로피의 적절한 정의에 선행하고 [[열소이론]](caloric theory)에 기초한 첫 번째 정의는 [[카르노 기관]]과 함께 제안된 [[카르노 정리 (열역학)|카르노 정리]]로, 1824년 열기관에서 일을 하는 열의 변환 효율이 상한을 갖는다는 것을 보여준 프랑스 과학자 [[니콜라 레오나르 사디 카르노|사디 카르노]]가 제안한 것이다.<ref>{{서적 인용|url=https://books.google.com/books?id=drZDDwAAQBAJ|title=The Physics of Energy|last1=Jaffe|first1=R.L.|last2=Taylor|first2=W.|year=2018|publisher=Cambridge University Press|location=Cambridge UK|page=150, n259, 772, 743|isbn=978-1-107-01665-1}}</ref><ref>{{웹 인용|url=http://news.mit.edu/2010/explained-carnot-0519|title=Explained: The Carnot Limit|author=David L. Chandler|date=2011-05-19}}</ref> 엔트로피의 개념에 기초한 제2법칙의 엄격한 첫 번째 정의는 1850년대 독일 과학자 [[루돌프 클라우지우스]]가 제안한 것으로, 열은 동시에 일어나는 또다른 변화 없이는 더 차가운 물체에서 더 따뜻한 물체로 절대 전달될 수 없다는 해설을 덧붙였다.

열역학 제2법칙은 [[열역학적 온도]] 개념을 정의할 수 있게 하지만, 현재는 공식적으로 [[열역학 제0법칙]]이 그 정의를 하는 것으로 이해한다.

== 내용 ==
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 [[에어컨]]은 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 [[일]]을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 가역과정에서 미소 열 <math>\delta q</math> 을 흡수한 온도가 <math>T</math> T인 계의 엔트로피 변화는 <math>\frac{\delta q}{T}</math>로 주어진다.

열역학 제1법칙이 과정 전, 그리고 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하는 반면, 열역학 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제한다.<ref name=":0">{{웹 인용|url=https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1126837&cid=40942&categoryId=32233|제목=[네이버 지식백과] 열역학 제2법칙 [the second law of thermodynamics, 熱力學第二法則] (두산백과)}}</ref>

== 다른 표현 ==
열역학 제2법칙은 다양한 방법으로 서술될 수 있다.<ref name=MIT>{{웹 인용|title=Concept and Statements of the Second Law|url=http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node37.html|accessdate=2010-10-07 |publisher=web.mit.edu}}</ref> 카르노가 처음으로 시도하였으며, 이후 학문적으로 엄격한 정의는 [[루돌프 클라우지우스]](1854), [[제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨|켈빈 남작]](1851), [[콘스탄티노스 카라테오도리]](1909)의 서술이 대표적이다.{{sfnp|Lieb|Yngvason|1999}} 이러한 서술은 특정한 과정의 불가능성을 언급하면서 일반적인 물리적 용어들을 제시했다. 클라우지우스의 서술과 켈빈의 서술은 동등한 것으로 여겨진다.{{sfnp|Rao|2004|p=213}}

=== 카르노 정리 ===
[[니콜라 레오나르 사디 카르노]]는 1824년 열기관에서 일을 하는 열의 변환 효율이 상한을 갖는다는 것을 보였는데, 열역학 제2법칙에 대한 역사적으로 최초의 기록이다.<ref>[[Nicolas Léonard Sadi Carnot|Carnot, S.]] (1824/1986).</ref> 카르노는 분석결과 이상적인 [[열기관]]은 매 순간 [[열평형]]상태에 놓여 준정적(準静的, Quasi-static) 과정을 할 때 가능하다고 결론지었는데, 이 이상적 열기관을 [[카르노 기관]]이라 한다.

=== 클라우지우스의 정의 ===
1854년, 독일의 물리학자 [[루돌프 클라우지우스]]는 저온의 물체에서 고온의 물체로 열을 전달시키는 것이 유일한 결과인 과정은 불가능하다고 서술했다.<ref name="MIT" /> 즉, 엔트로피는 고립계에서 항상 증가한다는 것이다.<ref>{{서적 인용|url=https://www.worldcat.org/oclc/857214540|제목=Fundamentals of thermodynamics|성=(Claus)|이름=Borgnakke, C.|날짜=2014|판=8th ed|출판사=John Wiley & Sons Inc|위치=[Place of publication not identified]|isbn=1118321774}}</ref>

=== 켈빈-플랑크의 정의 ===
[[제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨|켈빈 남작]]과 [[막스 플랑크]]는 열원으로부터 열을 전부 흡수하여 일로 바꾸는 과정은 불가능하며 열을 일로 전환하기 위해서는 반드시 열이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해야 한다고 했다.<ref name="MIT" />

=== 클라우지우스와 켈빈-플랑크 정의의 동등성 ===
[[파일:Deriving Kelvin Statement from Clausius Statement.svg|섬네일|이 그림을 이용하여 켈빈의 서술을 클라우지우스의 서술으로부터 유도할 수 있다.]]
우측 그림에서 볼 수 있듯 같이 켈빈의 정의와 클라우지우스의 정의는 같은 것이다. 켈빈의 정의를 위반하는 기관이 있다고 해보자. 즉, 주위와 어떠한 상호작용 없이 흡수한 열을 전부 일로 변환하는 기관이 있다고 해보자. 이는 우측 그림에서 볼 수 있듯 카르노 기관(Carnot engine)의 역과정이다. 이 기관의 효율은 최대 효율인 η인데, 결론적으로 저온에서 고온으로 <math display="inline">\Delta Q = Q\left(\frac{1}{\eta}-1\right)</math>만큼의 열을 전달하는 기관이 되어 클라우지우스의 정의를 위반하게 된다. 따라서 둘 중 하나를 위배하는 경우 다른 하나를 자동적으로 위반하게 된다.

== 통계 역학 ==

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.

== 영구기관 ==
{{참고|영구기관}}
열역학 제 2법칙은 영구기관의 불가능성을 정리하는 데 큰 기여를 했다. 열역학 제1법칙이 과정 전과 후의 에너지를 양적(量的)으로 규제하고 있는 데 비하여, 제2법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제하는 성격을 띠고 있다. 즉 에너지의 흐름은 엔트로피가 증가하는 방향으로 흐른다는 것이다. 따라서 이 법칙에 따르면, 하나의 열원에서 열을 받아 이것을 일로 바꾸되 그외 어떤 외부의 변화도 일으키지 않는 열기관인 제2종 영구기관의 제작은 불가능하다고 할 수 있다. 제2종 영구기관은 100%열을 받아서 100%운동에너지로 바꿀 수 있는 기관이다. 그렇지만 켈빈-플랑크의 기술에 의하면 제2종 영구기관의 제작은 불가능하다고 했다. 효율이 좋은 기관의 제작은 가능하지만 영구기관을 만드는 것은 불가능하다.<ref name=":0" />

== 같이 보기 ==
* [[엔트로피]]

== 각주 ==
{{각주}}

{{전거 통제}}

[[분류:물리학 개념]]
[[분류:온도 방정식]]
[[분류:열역학 법칙]]