안녕하세요. 이번 포스팅에서는 저번 포스팅에 이어서 열역학 제2법칙에 대해서 다루어보려고 합니다.
제0법칙은 열평형 상태에 대한 법칙, 제1법칙은 에너지 총량은 일정하다는 에너지 보존법칙에 관한 것이었습니다.
그렇다면 제2법칙은 무엇에 대한 법칙일까요?
제0법칙과 제1법칙에 대해서 궁금하신 분들은 아래의 링크를 참고해주세요.
2021/01/16 - [과학/실생활 속 물리] - [실생활 속 물리] 자연의 법칙, 열역학 법칙(1)(제0법칙, 제1법칙)
[실생활 속 물리] 자연의 법칙, 열역학 법칙(1)(제0법칙, 제1법칙)
안녕하세요. 이번 포스팅에서는 범우주에서 모두 적용되는 대자연의 법칙, 열역학 법칙에 대해서 알아보겠습니다. 지금부터 소개해드릴 내용은 교양 과학이나, 이과 물리 또는 화학 시간에 열
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2021/01/20 - [과학/실생활 속 물리] - [실생활 속 물리] 자연의 법칙, 열역학 법칙(2)(제1법칙 총정리)
[실생활 속 물리] 자연의 법칙, 열역학 법칙(2)(제1법칙 총정리)
안녕하세요. 이번 포스팅에서는 저번 포스팅에 이어서 열역학 제1법칙에 대해서 더 자세한 내용을 다뤄보도록 하겠습니다. 제1법칙이 간단히 무엇인지와 그 이전에 제0법칙은 무엇인지 알고 싶
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열역학 제1법칙은 에너지의 총량은 일정하다는 것을 말합니다.
그런데 평소 세상을 바라보면, 모든 사람들이 에너지 문제에 힘을 쏟아붓고 있는 모습을 보셨을 겁니다.
세계는 지금, 석유와 같은 자원 고갈 문제와 환경오염 문제로 신재생에너지 개발과 에너지 효율 문제를 해결하려 힘쓰고 있습니다.
제1법칙까지 아셨다면, 이런 의문이 드실 겁니다.
"아니, 에너지는 총량이 일정한데, 게다가 태양으로부터 에너지가 끊임없이 지구로 유입되고 있다는데, 왜 우리가 에너지 문제에 힘써야 하는 거죠?"
열역학 제2법칙이 이 질문에 대한 답이 될 수 있습니다.
제2법칙은 에너지의 방향성에 대한 법칙으로, 흔히 엔트로피 법칙으로 알려져 있습니다.
먼저, 에너지의 방향은 어느 쪽일까요?
우리의 경험상 열은 고온에서 저온으로 이동합니다. 이것이 에너지의 방향입니다.
에너지가 응축되어 있는 경우와 흩어져 있는 경우 중에 어떤 것이 더욱 '자연스러울'까요?
모든 사람이 에너지가 흩어진 경우가 자연스럽다고 생각할 것입니다.
인간이 역사는 사실 에너지를 얻기 위한 행위가 계속되고 있다고 보아도 무방합니다.
에너지의 자연스러운 방향에 맞서서 에너지를 얻어가야만 생명을 유지할 수 있는 것입니다.
열역학 제2법칙에는 여러 가지 다른 표현이 있습니다. 대표적으로는 다음과 같이 3가지가 있습니다.
1. 열은 고온에서 저온으로 이동한다.
온도가 높은 곳이 에너지가 높고, 온도가 낮은 곳이 에너지가 낮습니다. 에너지는 기본적으로 높은 곳에서 낮은 쪽으로 흘러가게 됩니다.
일상생활에서 예를 들어보겠습니다.
추운 겨울날입니다. 이미 영하의 온도에 차가워진 방안에는 오직 난로 하나가 있습니다. 난로에 불을 켜서 잠시 따뜻하게 지내다가 전기가 끊겨 난로가 꺼졌습니다. 이때 난로의 온도는 더 뜨거워질까요 차가워질까요?
정답은 누구나 알다시피 차가워집니다. 차가워지는 이유는 상대적으로 온도가 높은 난로에서 온도가 낮은 방 안의 공기로 에너지가 이동하기 때문입니다.
2. 열효율이 100%인 열기관은 없다.
위의 그림은 고열원에서 에너지를 받아 작동하는 열기관을 간단히 나타낸 것입니다.
열기관은 고열원과 저열원 사이의 온도 차이를 통해 열을 기계적인 일로 바꾸는 장치입니다.
예를 들어서 우리가 현재 자주 타고 다니는 자동차의 엔진이나 로켓 엔진, 증기기관이 있습니다.
열효율은 받은 열에너지에 비해 어느 정도 일을 할 수 있는지를 나타내는 비율로 나타냅니다.
이때, 제2법칙에 따르면, 어떤 열기관도 열효율이 100% 일 수는 없습니다.
앞서 알아본 열역학 제1법칙에 따르면, 에너지의 총량은 변하지 않고 일정합니다.
따라서 위의 그림에서 받은 열의 양을 Q1, 버린 열의 양을 Q2, 열기관이 한 일의 양을 W라고 하면, 제1법칙에 따라 Q1 = W + Q2가 됩니다(W = Q1 - Q2).
이때, 열효율 식을 다시 바꾸어 쓰면,
다음과 같습니다.
이때 열효율이 100%라면, Q2 즉 버린 열의 양이 0이라는 이야기입니다.
그런데, 제2법칙에 따르면, 그런 일은 절대 일어나지 않습니다.
열기관이 어떤 일을 하려면 꼭 열을 버려야 한다는 뜻입니다.
예를 들어, 자동차를 타고 다닐 때, 배기관으로 열이 빠져나가지 않는다면 열기관은 작동하지 않는 것입니다.
3. 모든 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행된다.
엔트로피는 우리말로 무질서도라고 합니다.
즉, 제2법칙은 모든 현상은 무질서해지는 방향으로 간다고 말합니다.
그런데, 이 말이 조금은 헷갈리게 들릴 수 있어 저는 다른 말로 정의하겠습니다.
엔트로피가 증가하는 방향은 모든 것이 동등, 균일해지는 방향이라고 생각하면 됩니다.
예를 몇 가지를 들어보겠습니다.
1. 빗자루로 낙엽을 한 곳에 모아 두고 자연의 상태에 두면 낙엽은 다시 흩어지게 됩니다.
2. 물에 잉크를 떨어뜨리면 모여있던 잉크 방울이 물 전체에 고루 섞이게 됩니다.
이처럼 우리 주변에서 엔트로피가 증가하는 방향을 쉽게 찾아볼 수 있습니다.
굉장히 긴 글이었습니다. 지금까지 열역학 제2법칙에 대해서 알아보았습니다.
여태까지 다룬 열역학 법칙들은 자연의 법칙으로 어느 경우에서나 우리가 살고 있는 우주 안에서는 언제 어디서든 성립하는 기반이 되는 법칙입니다.
다음 포스팅에서는 열역학 법칙이 응용되는 부분을 다뤄보고, 이를 이용해서 우리가 어떤 열기관을 만들 때 열역학 법칙이 어떻게 적용되는지 알아보겠습니다.
지금까지 읽어주셔서 감사합니다.
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