물리 세특 주제 : 일과 열 간의 전환(열역학 제 2법칙)

1. 열역학 제 2법칙이란?

  열역학은 에너지, 열, 온도 등의 요소와 그 관계를 연구하는 물리학의 한 분야입니다. 열역학에는 그 핵심이 되는 법칙이 존재하는데요, 0법칙부터 4법칙까지 존재하고 3법칙까지는 들어 보신 분들이 어느 정도 계시리라 생각됩니다. 간단히 말씀드리면 0법칙은 열적 평형에 관한 이야기이고, 1법칙은 에너지 보존 법칙, 3법칙은 절대영도에서 엔트로피는 0이라는 법칙입니다. 이때, '열역학 제 0법칙'이 존재하는 이유는, 열역학 제 1, 2, 3법칙이 성립된 후 열적 평형에 관한 법칙이 확립되었는데요, 이 법칙이 다른 법칙들을 성립하기 위해 필요한 기본적인 법칙으로 인정되어 4법칙이 아닌 0법칙으로 명명되었습니다.

  오늘은 열역학 제 2법칙에 집중해 보겠습니다. 열역학 제 2법칙은 엔트로피에 관한 이야기인데요, 흔히 '우주의 엔트로피는 항상 증가한다'라고 표현됩니다. 엔트로피라는 개념을 간단히 이해해 보면, '무질서도'라는 개념을 생각해 보시면 좋습니다. 엔트로피가 높다는 것은 무질서하다는 것, 낮다는 것은 정돈되어 있다는 것으로 말이지요. 이러한 식으로 엔트로피를 이해해서 열역학 제 2법칙을 생각해 보면, 우주의 무질서도가 증가한다는 것으로 이해해볼 수 있겠습니다.

2. 일과 열

  일과 열을 엔트로피의 관점에서 아주 간단히 이해해 보겠습니다. 우선 일과 열 모두 에너지를 전달하는 방법인데요, 무질서도에서 그 차이가 있습니다. 일의 경우는 비교적 정돈되어 있는 에너지인 반면, 열은 한 방향으로의 정돈된 방향성이 없이 전달되는 에너지이기 때문에 무질서한 에너지입니다. 이때, 열역학 제 2법칙을 상기하여 보겠습니다. 우주의 엔트로피는 증가하는 방향으로 이어진다고 했었지요? 그렇다면 무질서도가 증가하기 위해 일은 열로 자연스럽게 변화하게 될 것이라는 가정을 해볼 수 있습니다.

3. 일과 열, 열과 일

  그럼 이제 일을 열로 바꾸는 것은 쉬울 것이라고 생각해볼 수 있겠습니다. 하지만 그 반대의 것은, 즉 우주 전체의 열이 일로 바뀌는 것은 불가능할 것입니다. 우선 '가능한 경우'인 일이 열로 바뀌는 예시들을 살펴볼까요? 흔히 접할 수 있는 마찰이 가장 이해하기 쉬운 예시입니다. 빗면에 네모난 물체를 두면 그 물체가 빗면을 따라 내려오면서 그 물체와 빗면 사이에 열이 발생하고, 그만큼의 운동에너지를 뺏기게 됩니다. 즉, 에너지 보존 법칙을 염두에 두면서 생각해 보면 일의 일부가 열로 변환된 예시라고 생각할 수 있습니다. 전기 회로에서 저항으로 그 전기적 에너지가 열로 소모되는 경우도 그 예시로 생각할 수 있습니다.

  이번에는 열을 일로 바꾸는 경우에 대해 이야기해 보겠습니다. 우주 전체로 보았을 때 열이 일로 전환되는 것은 불가능합니다. 하지만 우주 전체로 보았을 때 불가능한 것이지, 더 많은 에너지를 사용한다면 일부의 열을 일로 전환하는 것은 가능합니다. 즉, 우주 전체의 관점에서 무질서도가 증가하면서, 무질서도가 감소하는 열에서 일로의 전환을 일부는 사용할 수 있다는 것입니다.

  에너지 측면에서 일과 열을 살펴볼 때 에너지 변환 효율과 같은 다른 좋은 주제들도 있지만, 오늘은 일과 열에 대한 간단한 이해 정도로 마쳐 보도록 하겠습니다. 다음에는 이와 관련된 주제인 열기관에 대한 내용도 작성해보려고 합니다. 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!