[열역학 개념의 해설] 열역학 제 2법칙

본 포스팅은 여상도 교수님께서 지으신 '열역학 개념의 해설' 중 제20장 '열역학 제2법칙' 내용 요약 및 개인적인 생각을 덧붙여 작성한 것입니다. 

20. 열역학 제2법칙

열역학 제1법칙은 에너지 보존의 법칙으로, 우주상의 모든 에너지는 형태가 변화되는 것일 뿐 총량은 일정하다는 내용이었는데요. 1법칙으로만으로는 열과 일의 전환 과정, 공정의 진행방향 등을 설명하기에는 부족했고, 어떤 현상이 일어나는 방향성을 제시하기 위해 열역학 제2법칙이 만들어졌답니다. 

 

열역학 제2법칙의 정성적인 서술은 아래와 같은데요. (화학공학 열역학, J.M. Smith 참조) 즉, 100% 열효율을 가지는 동력기관은 없다는 것과 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다는 것을 나타냅니다. 

• 서술 1: 계가 흡수하는 열을 완전히 일로 변환시키는 효과만 나타내도록 운전될 수 있는 장치는 없다. 
• 서술 1a: 어떠한 순환 공정도 계가 흡수한 열을 완전히 계에 의해 행하여지는 일로 변환시키지 못한다. 
• 서울 2: 열은 어느온도 수준에서 그보다 높은 온도 수준으로 전달하는 기능만 수행하는 공정은 있을 수 없다. 

한편 열역학 제1법칙에서는 에너지 보존의 법칙을 수학적으로 표현하기 위해서 내부 에너지라는 수학적 도구를 사용하였는데요. 열역학 제2법칙에서도 공정의 방향성을 수학적으로 표현하기 위해 엔트로피라는 수학적 도구를 사용하였답니다. 

 

19장 엔트로피 내용을 기억해보면, 가역공정의 경우에는 우주의 총 엔트로피 변화량이 0이고 비가역 공정의 경우에는 우주의 총 엔트로피 변화량은 0보다 컸는데요. 이것이 열역학 제2법칙의 수식적 표현이랍니다. 

•  ΔStotal ≥ 0 

즉, 어떤 변화나 공정이 수행될 때, 그 현상은 반드시 총 엔트로피가 증가하는 방향(=비가역적인 방향)으로 일어나게 된다는 것이 열역학 제2법칙의 핵심입니다. 

 

그럼 열역학 개념의 해설, 열역학 제2법칙 포스팅을 마치겠습니다.