열역학은 에너지 전환과 열의 흐름을 다루는 물리학 분야로 네 가지 기본 법칙으로 요약됩니다. 제0법칙은 열평형과 온도를 정의하고, 제1법칙은 에너지 보존을 나타내며, 제2법칙은 엔트로피 증가로 시간의 방향을 정하고, 제3법칙은 절대영도의 도달 불가능성을 말하며, 이 법칙들은 엔진, 냉장고, 우주의 운명까지 지배하는 자연의 근본 규칙입니다.
증기기관에서 시작된 과학 혁명
열역학은 산업혁명과 함께 탄생했습니다. 18세기 말 증기기관이 발명되며 열을 일로 변환하는 효율이 중요해졌습니다. 제임스 와트는 증기기관을 개량했지만 이론적 한계를 알지 못했습니다. 1824년 사디 카르노는 열기관의 이론적 최대 효율을 계산했습니다. 카르노 사이클은 고온 열원에서 열을 받아 일을 하고 저온 열원으로 열을 버리는 이상적 과정입니다. 효율은 η = 1 - T_cold/T_hot입니다. 온도차가 클수록 효율이 높습니다. 하지만 100퍼센트는 불가능합니다. 저온 열원이 절대영도가 아닌 한 항상 일부 열을 버려야 합니다. 당시 열의 본질은 논쟁거리였습니다. 열소설은 열이 흐르는 물질이라고 주장했습니다. 럼퍼드 백작은 대포 구멍을 뚫을 때 발생하는 열이 마찰로 생긴다는 것을 보였습니다. 줄은 1840년대 정밀 실험으로 열과 일의 관계를 확립했습니다. 추를 떨어뜨려 물속 날개를 회전시키면 물의 온도가 올라갑니다. 4.18줄의 일이 1칼로리의 열과 같습니다. 이것이 열의 일당량입니다. 열은 물질이 아니라 에너지의 한 형태입니다. 볼츠만은 열역학을 미시적으로 해석했습니다. 온도는 분자의 평균 운동 에너지입니다. 열은 무질서한 분자 운동입니다. 일은 질서 있는 운동입니다. 통계역학이 열역학을 원자론으로 설명했습니다.
열역학 법칙
제1법칙 - 에너지는 창조되거나 파괴되지 않는다
열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙입니다. ΔU = Q - W입니다. 내부 에너지 변화는 받은 열에서 한 일을 뺀 것과 같습니다. 시스템에 열을 가하면 내부 에너지가 증가하거나 일을 합니다. 영구 기관 제1종은 불가능합니다. 에너지를 공급하지 않고 계속 일하는 기계는 만들 수 없습니다. 이상 기체 법칙은 PV = nRT입니다. 압력, 부피, 온도가 관계됩니다. 등온 과정은 온도가 일정하므로 내부 에너지 변화가 0입니다. 받은 열이 모두 일로 변환됩니다. 단열 과정은 열 교환이 없으므로 Q=0입니다. 내부 에너지 변화가 일과 같습니다. 기체를 압축하면 온도가 올라가고 팽창하면 내려갑니다. 등압 과정은 압력이 일정합니다. 엔탈피 변화가 열과 같습니다. 등적 과정은 부피가 일정하므로 일이 0입니다. 열이 모두 내부 에너지로 갑니다. 열용량은 온도를 1도 올리는 데 필요한 열입니다. 물의 비열이 커서 온도 변화가 작습니다. 바다가 기후 조절 역할을 합니다. 상전이는 온도 변화 없이 열을 흡수하거나 방출합니다. 얼음이 녹을 때나 물이 끓을 때입니다. 잠열이라고 합니다. 증발 잠열이 크므로 땀이 증발하며 몸을 식힙니다.
제2법칙 - 엔트로피는 항상 증가한다
열역학 제2법칙은 여러 표현이 있습니다. 클라우지우스 표현은 열이 저온에서 고온으로 자발적으로 흐르지 않는다는 것입니다. 냉장고는 일을 해야 열을 저온에서 고온으로 옮깁니다. 켈빈-플랑크 표현은 단일 열원에서 열을 완전히 일로 바꿀 수 없다는 것입니다. 영구 기관 제2종이 불가능합니다. 카르노 효율이 최대입니다. 엔트로피는 무질서도의 척도입니다. ΔS = Q/T입니다. 가역 과정에서 엔트로피 변화는 열을 온도로 나눈 값입니다. 고립계의 엔트로피는 증가하거나 일정합니다. 감소하지 않습니다. 볼츠만 공식은 S = k·ln(W)입니다. 엔트로피는 가능한 미시 상태 수의 로그에 비례합니다. 무질서할수록 경우의 수가 많고 엔트로피가 큽니다. 방을 치우지 않으면 저절로 어질러집니다. 질서 있는 상태는 하나이지만 무질서한 상태는 무수히 많기 때문입니다. 깨진 컵이 저절로 복원되지 않는 이유입니다. 시간의 화살은 엔트로피 증가 방향입니다. 과거에서 미래로 가는 시간의 비대칭성이 제2법칙에서 나옵니다. 우주의 엔트로피는 계속 증가합니다. 빅뱅 직후 우주는 매우 질서 있었고 지금도 증가 중입니다. 열적 죽음은 우주가 최대 엔트로피에 도달하여 더 이상 변화가 없는 상태입니다. 모든 별이 사라지고 온도가 균일해집니다.
제0법칙과 제3법칙
제0법칙은 가장 나중에 발견되었지만 가장 기본적입니다. A와 B가 열평형이고 B와 C가 열평형이면 A와 C도 열평형입니다. 이것이 온도를 정의합니다. 온도계가 작동하는 이유입니다. 온도계를 물체에 접촉시키면 열평형에 도달하고 둘의 온도가 같아집니다. 제3법칙은 절대영도에서 완벽한 결정의 엔트로피는 0이라는 것입니다. 네른스트의 정리라고도 합니다. 절대영도는 섭씨 영하 273.15도, 0켈빈입니다. 이것은 도달할 수 없습니다. 계속 냉각해도 점근적으로 접근할 뿐입니다. 현재 기록은 나노켈빈 수준입니다. 레이저 냉각과 증발 냉각으로 달성합니다. 절대영도에서 분자 운동이 멈춥니다. 양자역학적으로는 영점 에너지가 남습니다. 완전히 정지할 수 없습니다. 초유체와 초전도는 극저온 현상입니다. 헬륨-4는 2.17켈빈에서 초유체가 됩니다. 점성이 0이 되어 벽을 타고 올라갑니다. 초전도체는 전기 저항이 0이 됩니다. 전류가 영원히 흐릅니다.
열기관과 냉동기의 작동 원리
내연기관은 가솔린을 연소하여 일을 합니다. 오토 사이클은 4행정 엔진입니다. 흡입, 압축, 폭발, 배기가 반복됩니다. 압축비가 높을수록 효율이 좋습니다. 디젤 엔진은 압축으로 점화합니다. 제트 엔진은 브레이턴 사이클입니다. 공기를 압축하고 연료를 태워 팽창시킵니다. 증기 터빈은 랭킨 사이클입니다. 물을 끓여 증기로 만들고 터빈을 돌린 후 응축시킵니다. 발전소가 이 원리입니다. 스털링 엔진은 외연기관입니다. 고온부와 저온부 사이에서 기체가 팽창과 압축을 반복합니다. 조용하고 효율적이지만 출력이 작습니다. 냉장고는 열펌프입니다. 냉매가 증발하며 열을 흡수하고 압축기로 압축되어 응축하며 열을 방출합니다. 냉장고 뒷면이 뜨거운 이유입니다. 에어컨도 같은 원리입니다. 성적 계수는 COP = Q_cold/W입니다. 흡수한 열을 한 일로 나눈 값입니다. 카르노 냉장고가 이론적 최대입니다. 히트펌프는 냉장고를 반대로 사용합니다. 외부 공기에서 열을 흡수하여 실내를 데웁니다. 겨울 난방에 효율적입니다. 전기 히터보다 3-4배 효율적입니다. 열전 소자는 제베크 효과와 펠티어 효과를 이용합니다. 전류로 열을 이동시키거나 온도차로 전기를 만듭니다. 움직이는 부품이 없어 조용하고 신뢰성이 높습니다. 소형 냉장고와 온도 센서에 사용됩니다. 열역학은 효율의 한계를 알려줍니다. 100퍼센트 효율은 불가능합니다. 에너지를 아끼고 지속 가능한 기술을 개발하는 것이 중요합니다. 재생 에너지, 폐열 회수, 단열 개선이 열역학적 해법입니다. 열역학 법칙은 우주의 근본 법칙입니다. 모든 에너지 전환 과정이 이것을 따릅니다. 생명도 열역학 시스템입니다. 낮은 엔트로피 음식을 먹어 질서를 유지하고 높은 엔트로피 열을 방출합니다. 엔트로피 증가에 저항하며 복잡성을 만듭니다. 하지만 궁극적으로는 열역학 제2법칙을 피할 수 없습니다. 우주와 함께 우리도 엔트로피의 흐름 속에 있습니다.