[실생활 속 물리] 영구기관이 절대 만들어질 수 없는 이유

안녕하세요. 저번 포스팅까지 열 법칙에 대해 다뤄보며 제0법칙부터 제2법칙까지 알아보았습니다.
이번 포스팅에서는 여태까지 다룬 열역학 법칙들을 통해 영구기관이 왜 존재할 수 없는지에 대해서 알아보겠습니다.

열역학 법칙에 대해서 더 자세히 알아보고 싶다면 아래의 링크들을 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)

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)

2021/01/27 - [과학/실생활 속 물리] - [실생활 속 물리] 자연의 법칙, 열역학 법칙(3)(제2법칙, 엔트로피)

[실생활 속 물리] 자연의 법칙, 열역학 법칙(3)(제2법칙, 엔트로피)

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이제부터 중심적으로 다뤄볼 내용은 영구기관입니다.

영구기관은 말 그대로 영구적으로 일을 할 수 있는 기관입니다.
다시 설명하면, '한 번 외부로부터 에너지를 받아 일을 하기 시작하면, 그 이후로는 외부로부터 에너지를 받지 않아도 영구적으로 일을 할 수 있는 가상의 기관'입니다.

가상의 기관입니다. 즉 현실에선 절대 실현 불가합니다.
(현실에 그런 기관이 있다면 얼마나 좋을까요.)

영구기관은 어찌 되었든, 어떤 근거로든 구현할 수가 없습니다.

영구기관은 실현 불가능한 근거가 열역학 제1법칙이냐 제2법칙이냐에 따라서 나뉘는데,
제1법칙을 위배하는 경우를 제1종 영구기관,
제2법칙을 위배하는 경우를 제2종 영구기관이라고 합니다.


1. 제1종 영구기관의 대표적인 예시를 먼저 들어보겠습니다.

제1종 영구기관(출처: 나무위키).

위의 그림에 있는 장치가 제1종 영구기관입니다.

원판이 시계방향으로 계속 회전하고 있는 상황이라고 가정해봅시다.
그림을 보면, 원판의 오른쪽이 왼쪽에 비해 구슬 수가 더 많으니 계속해서 시계방향으로 원판이 회전할 것이라는 생각을 해보실 수 있습니다.

하지만, 물리적으로 돌림힘(토크)을 생각해본다면, 왼쪽의 구슬들이 오른쪽의 구슬보다 원판의 중심으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 더 큰 돌림힘을 만들어낸다는 사실을 알 수 있습니다.

따라서, 원판은 본래 가정과는 달리 계속해서 회전하지 않고 결국에 멈추게 되는 것입니다.


2. 다음은, 제2종 영구기관에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

제2종 영구기관.

위의 그림은 열역학 제2법칙을 위배하는 제2종 영구기관의 한 가지 예시 그림입니다.

바닷물에서 에너지를 얻어 배의 동력기관이 작동하는 그림을 나타낸 것입니다(그림 실력이 영...).
따라서 강물은 에너지를 잃고 얼음이 되었고, 배는 에너지를 얻어 앞으로 나아간다는 가정입니다.

하지만 이전에 다루었듯이, 열역학 제2법칙에 따르면, 에너지는 높은 곳에서 낮은 곳으로, 또는 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로만 이동합니다.

일반적으로, 배의 동력기관은 강물이나 바닷물의 온도보다 높습니다. 따라서 자발적으로 온도가 낮은 바닷물에서 온도가 높은 배로 에너지가 이동하는 일은 확률적으로 발생하기 어렵습니다.

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이외에도 역사적으로 정말 많은 사람들이 영구기관을 만들기 위해 노력하고, 설계하는 시도가 있었지만, 역시나(이미 이론적으로 불가) 한 가지도 가능한 기관은 만들지 못했습니다.

저 또한 고등학교 때 영구기관이라고 생각하여 설계해본 기관이 있으나, 결국에는 이 역시도 열역학 법칙에 위배되어 불가능한 것으로 설명되더군요.

어찌 되었든, 영구기관을 만드려는 노력은 어쩔 수 없이 물거품이 될 수밖에 없습니다.

지금까지 열역학 법칙에 위배되는 영구기관에 대해서 간단하게 알아보았습니다.
읽어주셔서 감사합니다.