열역학 제2법칙

물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 에너지가 흐르는 방향을 설명하는 법칙이다. 이는 어떠한 계의 총 엔트로피는 다른 계의 엔트로피가 증가하지 않는 이상 감소하지 않는다는 법칙이다. 이런 이유로 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가 감소하지 않는다. 이것은 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유이다. 두번째로 열원(reservoir)으로부터 양의 열에너지를 뽑아서 모두 일로 전환하되, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다. 총 일의 생산은 뜨거운 열원에서 차가운 열원으로 열의 이동을 필요로 한다. 따라서 영구 기관은 존재할 수 없다. 마지막으로 어떠한 과정에서 엔트로피 증가가 적다는 것은 그 과정의 에너지 효율이 좋다는 것을 뜻한다.

열역학 제2법칙으로부터 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소할 수도 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해준다. 따라서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 방으로 부터 방출되고 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 만든다. 따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다.

역학에서 열역학의 기본 관계를 사용하여 표현된 제2법칙은 계의 일을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 가역과정에서 미소 열 $\delta q$ 을 흡수한 온도가 T인 계의 엔트로피 변화는 $\frac{\delta q}{T}$로 주어진다.

통계역학은 엔트로피가 확률에 의해 지배받는 요소라는 것을 입증한다. 따라서 무질서의 감소가 닫힌계 안에서도 일어날 수 있다. 그러나 이것이 나타날 확률은 매우 작기 때문에 이러한 현상이 나타나더라도 계의 매우 적은 입자들에만 영향을 미치는 일시적인 감소이다.

같이 보기

• 엔트로피