열역학 제2법칙

열역학 제2법칙   고등 교과서 물리2        가역 반응과 비가역 반응              그림 I-102의 진자는 공기의 저항이 없을 때 A점에서 놓으면 B점까지 갔다가 다시 A점으로 돌아온다. 이렇게 외부에 아무런 흔적도 남기지 않고 스스로 원래의 상태로 되돌아갈 수 있는 현상을 가역 과정 이라고 한다.                                    그림 I-102 진자의 운동                                  ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND   그림 I-103의 A와 같이 한쪽은 기체가 들어 있고 한쪽은 진공인 용기의 중간 밸브를 열면 기체가 골고루 퍼져 B와 같은 상태가 된다. 그러나 시간이 흘러도 다시 A와 같은 상태로 되돌아오지 않는다. 이렇게 스스로 처음 상태로 되돌아 갈 수 없고 시간에 대해서 한쪽 방향으로만 진행하는 현상을 비가역 과정 이라고 한다. 진자도 실제로는 공기의 저항이나 마찰이 있기 때문에 어느 정도 시간이 지나면 결국 정지 하므로 비가역 과정에 해당한다.                                      그림 I-103 기체의 팽창                                    ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND       자연계에서 일어나는 대부분의 현상들은 어느 한 방향으로만 진행하는 비가역 과정이다. 그림 I-104는 자연계에서 일어나는 여러 가지 비가역 현상을 나타낸 것이다.                     그림 I-104 여러 가지 비가역 현상(미끄럼틀)                   ▶ 여러 가지 비가역 현상*물체의 운동 에너지가 마찰에 의해 열로 변한다. (미끄럼틀)                   ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND                     그림 I-104 여러 가지 비가역 현상                 *열은 고온의 물체에서 저온의 물체로 이동한다.                 ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND                     그림 I-104 여러 가지 비가역 현상                 *바위가 풍화 작용으로 부서져서 모래나 흙으로 변한다.                 ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND                      그림 I-104 여러 가지 비가역 현상                  *잉크를 물에 떨어뜨리면 골고루 확산된다.                  ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND                      그림 I-104 여러 가지 비가역 현상                  *연기가 공기 중으로 확산된다.                  ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND       열역학 제2법칙   뜨거운 물체가 있을 때 뜨거운 물체에서 주변으로 열에너지가 이동할 뿐 스스로 일을 하지는 못한다. 이와 같이 열에너지는 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 저절로 이동하며, 결코 스스로 일을 할 수 없다. 인간은 열에너지로 일을 할 수 있는 장치인 열기관을 만들어 이용하고 있다. 열기관도 열이 높은 온도 의 물체에서 낮은 온도의 물체로 저절로 흘러가 버리기 때문에 공급한 열에너지를 100% 일로 바꾸지 못한다. 열에너지가 가지는 이러한 특수성 때문에 열 현상과 관련된 자연 현상은 모두 비가역 과정이다. 그림 I-105와 같이 빗면에 물체를 놓으면 물체는 빗면을 미끄러져 내려와 수평면을 어느 정도 진행하다가 멈춘다. 물체가 움직이는 동안 바닥과의 마찰에 의해 역학적 에너지가 열에너지로 전환되어 사방으로 흩어지고 결국 물체는 멈추게 된다.                      그림 I-105 물체의 운동에서 비가역 과정                  ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND     그 반대 현상은 왜 일어나지 않은 것일까? 흩어졌던 열에너지가 다시 모여 역학적 에너지로 전환된다면 수평면에 정지해 있던 물체가 다시 빗면으로 올라갈 수 있고, 이는 에너지 보존 법칙(열역학 제1법칙)에 위배되지 않는다. 그러나 이러한 일은 결코 일어나지 않는다. 열역학 제1법칙에는 위배되지 않지만 결코 스스로 일어나지 않는 이러한 자연 현상에 대해 열에너지 이동의 방향성을 설명하기 위한 법칙이 열역 학 제2법칙이다. 다음은 열역학 제2법칙을 설명하는 다양한 표현들이다.     * 열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 저절로 이동하지만 그 반대로는 결코 저절로   이동하지 않는다.   * 마찰이 있는 면 위에서 물체를 운동시키면 물체의 운동 에너지는 마찰에 의해 물체를 구성하는   분자의 열운동 에너지로 전환되고, 물체는 결국 정지한다. 역으로 물체를 구성하는 분자들의   열운동 에너지가 물체의 운동 에너지로 전환되어 물체 스스로 운동하는 일은 일어나지 않는다.   * 효율이 100%인 열기관은 결코 만들 수 없다. 열기관이 일을 하는 과정에서 열은 주변에 존재하   는 더 낮은 온도의 계로 저절로 흘러가 버리고 이것을 막을 방도가 없기 때문이다.   * 냉동기는 저열원에서 고열원으로 열을 옮기는 장치이지만 스스로 이동하는 것이 아니고 열을   옮기기 위해서는 외부에서 냉동기에 일을 해 주어야 한다.             열역학 제2법칙을 설명하는 표현들은 다른 물리 법칙의 표현 방법과 다르게 물리량을 정량적으로 결정 해 주지 않고 단지 무엇이 불가능하다는 것을 말하고 있다. 따라서 과학자들은 열역학 제2법칙을 정량적 으로 표현하는 방법을 연구하게 되었다. 클라우지우스(Clausius, Rudolf Julius Emanuel; 1822~1888)는 절대 온도가 T인 열역학적 계가 열 ΔQ 를 흡수하면 그 계의 엔트로피 S는만큼 증가한다고 엔트로피를 정의하였다. 그리고 우주의 총 엔트로피는 감소하지 않으며, 외부와 단절된 고립계에서 일어나는 열역학적 과정은 엔트로피가 증가 하는 방향으로 일어난다고 설명하였다.   클라우지우스(Clausius, R. J. E.) ▶ 클라우지우스(Clausius, R. J. E.; 1822~1888) : 독일의 물리학자이며, 분자 물리학에 중요한 기여를 하였다. 그는 엔트로피 개념에 주안점을 두고 증기 기관에 대한 이론의 개발에 기여하였다. ⓒ 위키백과 | Public Domain     볼츠만(Boltzmann, Ludwig Eduard; 1844~1906)은 한 가지 방향으로만 일어나는 열 현상의 원인이 수 많은 구성 입자들로 이루어진 계가 무질서한 운동을 하기 때문인 것으로 생각하고, 엔트로피를 확률적 인 방법으로 새롭게 정의하여 자연에서 일어나는 변화의 방향은 확률이 높은 방향으로 진행된다고 설명 하였다. 볼츠만은 어떤 기체계의 분자들이 질서 있는 배열로부터 시작해서 움직여 간다면 시간이 지남 에 따라 점점 무질서한 배열들의 경우의 수가 커지게 된다는 생각으로 엔트로피 S를 로 표현하였다. 여기서 k는 볼츠만 상수(1.38×10-23 J/K)이며, W는 분자들이 배열할 수 있는 경우의 수이 다. 분자들이 섞여서 경우의 수가 최대인 상태, 즉 확률이 최대인 상태가 되면 더 이상의 변화는 일어나 지 않는다는 것이다. 볼츠만은 엔트로피의 증가가 분자 수준의 무질서도 증가에 해당한다는 것을 보여 주려고 노력하였다.         볼츠만(Boltzmann, L. E.) ▶ 볼츠만(Boltzmann, L. E. ; 1844~1906) : 오스트리아의 물리학자이다. 통계역학의 발전과 열역학의 제2법칙에 대한 통계 역학적 설명 등에 기여를 하였다. ⓒ 위키백과 | Public Domain       엔트로피의 정성적 의미   그림 I-106과 같이 물에 잉크 방울을 떨어뜨렸을 때 처음에는 물과 잉크 방울을 구분할 수 있다. 이러한 상태를 질서가 있는 상태라고 한다. 그러나 시간이 지나면 잉크 방울이 골고루 퍼져 물과 잉크를 구분할 수 없게 된다. 이러한 상태를 무질서한 상태라고 한다. 이와 관련하여 엔트로피를 분자 배열의 무질서도 로 생각할 수 있다. 엔트로피를 이용하여 열역학 제2법칙을 다음과 같이 표현할 수 있다.     * 열역학 과정에 참여하는 모든 계를 함께 고려할 때 전체 엔트로피는 감소하지 않는다. * 어떤 계를 고립시켜서 외부와의 상호 작용을 없애 주면 그 계의 분자나 원자들의 무질서도가   증가하는 쪽으로, 즉 계의 엔트로피가 증가하는 쪽으로 변화가 일어나며, 그 반대쪽으로는   변화가 일어나지 않는다.                                 그림 I-106 무질서도                         ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND       오늘날 엔트로피는 매우 다양한 의미로 사용되고 있다. 현대 세계의 에너지 문제도 엔트로피의 증가로 설명할 수 있다. 열역학 제1법칙에 따르면 우주의 총 에너지는 보존된다. 에너지를 계속 사용해도 에너 지는 없어지지 않고 단지 그 형태만 변할 뿐이다. 그러나 우리는 에너지를 무한정 사용할 수 없다. 석유 를 태우면 에너지의 총량에는 변함이 없지만 이를 다시 석유로 바꿀 수는 없기 때문이다. 즉, 석유가 연소하여 생긴 열에너지는 다시 사용할 수 없는 쓸모없는 에너지가 된 것이다. 엔트로피는 숨겨진 정보의 양 또는 정보의 부족으로도 해석할 수 있다. 책상 위에 놓여 있는 연필을 생각 해 보자. 그림 I-107의 ㉮와 같이 여러 자루의 연필이 잘 정리되어 있는 경우, 즉 엔트로피가 아주 낮은 경우 우리는 여러 자루의 연필의 위치에 대해 상당한 정보를 갖고 있다고 말할 수 있다. 그러나 그림 ㉯ 와 같이 여러 자루의 연필이 책상 위에 무질서하게 흩어져 있는 경우, 즉 엔트로피가 매우 높은 경우 우리는 각 연필의 위치를 정확하게 말하기 어렵다. 이처럼 엔트로피가 증가하면서 연필의 위치에 대한 정보가 숨겨지고, 연필의 위치에 대한 정보가 그만큼 부족하게 된다.                    그림 I-107 연필의 엔트로피                  ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND       그림 I-108과 같이 물속에 잉크를 떨어뜨린 경우에도 시간이 지나면서 점점 넓게 퍼지면 잉크 방울의 수많은 정보가 물속 전체로 퍼져 나가 잉크 방울에 대한 정보가 부족해진다.                    그림 I-108 잉크의 확산                  ⓒ (주)천재교육 | BY-NC-ND         정보의 사용과 활용도 엔트로피의 증가로 해석할 수 있다. 인터넷의 발달로 이전에 책, 신문, TV 등을 통해 접하던 정보의 양과는 비교할 수 없을 만큼 수많은 정보를 우리는 쉽게 접할 수 있게 되었다. 이 처럼 정보의 양적인 엔트로피는 증가하였어도 그러한 정보 가운데 가치 있는 알짜 정보를 알아내기란 쉬운 일이 아니다. 이러한 정보 가운데 유용한 것을 구분해 내기 위해서는 별도의 에너지와 노력이 필 요하다. 에너지와 시간을 투자해 정보의 진위를 파악하고 가치를 매기는 과정이 필요한 것이다. 열역학 제2법칙은 물질과 에너지는 한 방향으로만 변한다고 규정한다. 즉, 유용한 상태에서 무용한 상태 로, 획득이 가능한 상태에서 획득이 불가능한 상태로, 질서 있는 상태에서 무질서한 상태로만 변한다는 것이다.