당연한 열역학 법칙

 

💖 열역학은 쉽게 말해 열과 에너지가 어떻게 변화하고 교환되는지 연구하는 학문입니다.

우리는 열역학법칙이 적용되는 곳에 살고 있기 때문에 이 법칙이 당연하게 느껴지는데요.

당연한 이야기를 어려운 수식과 법칙으로 만든 과학자들에게 경의를 표하며,

이러한 상식으로 대단한 물리학 지식이 있는 것처럼 설명할 수 있도록 쉽게 포스팅을 해 보도록 할게요~^^💖

 

제 4법칙이 아니라, 왜 0법칙일까? 

열역학에는 네 가지 법칙이 있는데, 먼저 열역학 1,2,3 법칙이 생기고 난 뒤 열역학 제 0법칙이 생겼습니다. 그러면 시간의 순서상 열역학 제 4법칙이 아니라 왜 0법칙일까요?

 그 이유는 첫째, 열역학 제 0법칙은 열역학의 기본 개념인 열평형(thermal equilibrium)을 정의하는데 필수적이기 때문입니다. 열평형은  두 개의 시스템이 서로 열을 주고받지 않고 안정된 상태일 때, 즉 열평형 상태에 있을 때 그 두 시스템의 온도가 같다는 것을 의미합니다. 우리가 차가운 쇠 젓가락을 계속 손으로 잡고 있으면 결국엔 쇠젓가락과 우리 손의 온도가 같지요? 그 말입니다^^

  둘째, 이러한 정의는 열역학 제1법칙, 제2법칙의 이해에 기본과 근본이 됩니다. 즉, 열평형이라는 개념이 없었다면 다른 법칙들을 이해하는데 어려움이 있지요. 따라서 열역학 제 0법칙은 열역학의 나머지 법칙들을 이해하는 데 중요한 기초를 제공하며, 시간상으로는 후에 정의되었지만 개념적으로는 기본적인 역할을 합니다. 그래서 열역학 제 4법칙이 아니라 0법칙이 되었습니다.

 

이제 본격적으로 열역학법칙을 알아볼께요.

 

열역학 제0법칙- 열평형 법칙

 " A와 B가 열평형 상태에 있고, B와 C가 열평형 상태에 있다면, A와 C도 서로 열평형을 이룬다."

쉽게 말하면 두 시스템이 같은 온도에 있을 때 열이 더 이상 이동하지 않는다는 것인데, 이것은 온도계의 기본 원리이기도 합니다. 이 법칙은 온도의 개념을 정의하고, 열평형 상태를 이해하는 데 필수적입니다.

 

열역학 제 1법칙- 에너지 보존 법칙

"에너지가 생성되거나 소멸되지 않고, 단지 한 형태에서 다른 형태로 변환된다는 법칙"

에너지가 변할 때 전체 에너지의 양은 항상 동일하게 유지된다는 말이에요. 에너지는 사라지거나 새로 생성되지 않고 단지 다른 형태로 바뀔 뿐입니다.

이를 수식으로 표현하면 △U(내부 에너지의 변화량)=Q(시스템에 추가한 열량) - W(시스템이 한 일)

물체에 일(work)을 해 주면 그만큼 내부 에너지는 증가하고, 물체가 외부에 일을 하면 내부 에너지는 그만큼 감소한다. 

즉, 열역학 제1법칙은 에너지가 생성되거나 사라지는 것이 아니라는 기본적인 원칙을 제공하며, 열역학의 다양한 현상을 설명하는 데 필수적입니다.

 

열역학 제 2법칙- 엔트로피 증가의 법칙

"고립된 계(시스템)에서의 엔트로피는 절대 감소하지 않는다는 법칙"

열역학 제2법칙은 엔트로피 증가의 법칙으로도 알려져 있으며, 자연의 에너지가 어떻게 흘러가는지를 설명하는 법칙이에요. 간단히 말해, 엔트로피는 무질서도의 정도를 나타내는 물리량인데, 고립된 시스템에서 시간이 지남에 따라 엔트로피는 감소하지 않고 항상 증가하거나 일정하게 유지돼요.

 이 법칙은 일상에서도 볼 수 있는데, 예를 들어 뜨거운 커피가 방에 놓이면 시간이 지나면서 주변 공기와 온도가 같아지죠. 이 과정에서 열이 고온에서 저온으로 자연스럽게 이동하고, 전체 엔트로피는 증가해요.

이 법칙은 자연에서의 모든 자발적인 과정이 특정 방향으로만 일어나게 하며, 이는 시간이 한 방향으로 흐른다는 것을 의미해요. 또한, 이 때문에 어떤 시스템도 외부 에너지원 없이 100% 효율로 일을 할 수 없어요.

 

열역학 제 3법칙- 절대 0도 불가능의 법칙

"자연계에서 절대 0도는 없다는 법칙"

열역학 제3법칙은 절대온도 0K(켈빈), 즉 절대영도에서 완벽한 결정체의 엔트로피(무질서도)가 0이 된다는 법칙이에요. 이 법칙은 물질의 온도가 절대영도에 가까워질수록 엔트로피가 점점 줄어들며, 궁극적으로 0에 도달하게 된다는 것을 말하죠. 하지만 현실적으로 절대영도에 도달하는 것은 불가능하다는 점도 이 법칙에 포함돼 있어요.

완벽하게 정리된 고체(완전한 결정체)는 절대 영도(0K)에서는 내부의 무질서함이 없어서, 엔트로피(무질서도)가 0이 된다는 법칙입니다. 즉, 온도가 절대 영도에 가까워질수록 물질의 움직임이 거의 없고, 모든 것이 완벽하게 정돈된 상태가 된다는 뜻입니다.

 우리가 사는 이 세상엔 완벽하게 정돈된 상태가 없다는 거 아시죠? 아무리 정리하고 청소해도 다시 어질러지는 우리의 집처럼^^