제0법칙: 열평형과 온도
물체 A와 B가 열평형이고 B와 C가 열평형이면 A와 C도 열평형이에요. 이 법칙 덕분에 온도계(B)로 서로 다른 물체의 온도를 비교할 수 있어요. 다른 법칙보다 기초적이라 나중에 "제0법칙"이라는 이름이 붙었어요.
제1법칙: 에너지 보존
계의 내부에너지 변화는 계가 받은 열에서 계가 한 일을 뺀 값과 같아요(ΔU = Q − W). 19세기 중반 줄의 열의 일당량 실험과 마이어, 헬름홀츠의 연구로 확립됐어요. 에너지를 공급하지 않고 일을 계속하는 제1종 영구기관은 불가능해요.
제2법칙: 엔트로피와 과정의 방향
제2법칙은 자연 과정의 방향을 정해요. 대표적 표현은 두 가지예요.
- 클라우지우스 표현: 다른 변화 없이 열이 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 저절로 이동할 수 없어요.
- 켈빈-플랑크 표현: 하나의 열원에서 열을 받아 그 전부를 일로 바꾸는 순환 기관은 만들 수 없어요(제2종 영구기관 불가).
클라우지우스(1865)는 엔트로피 개념을 도입해 고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다고 정식화했어요. 카르노(1824)가 분석한 이상 열기관의 최대 효율은 η = 1 − T저온/T고온(절대온도)으로, 실제 기관은 이보다 효율이 낮아요. 엔트로피 개념의 사회적 확장은 엔트로피 법칙 문서에서 이어져요.
제3법칙: 절대영도
네른스트(1906)의 열정리에서 출발한 제3법칙은 온도가 절대영도(0 K)에 가까워질수록 계의 엔트로피가 일정한 최솟값에 접근한다는 법칙이에요. 완전한 결정의 엔트로피는 0 K에서 0으로 볼 수 있고, 유한한 단계로는 절대영도에 도달할 수 없다는 결론이 따라와요.
적용
열역학 법칙은 열기관·냉동기의 성능 계산, 화학반응의 자발성 판단(깁스 자유에너지), 생명체의 에너지 대사 등에 쓰여요. 다만 열역학은 평형 상태와 에너지 수지를 다룰 뿐 열이 얼마나 빨리 이동하는지는 다루지 않으며, 그 속도는 열전달에서 다뤄요.
캠퍼스다운 자료실에는 이 이론을 다룬 자료도 있어요: 「뜨거운 물과 찬물 중 무엇이 먼저 얼까, 음펨바 효과의 원인 분석: 1969년 재발견, 대류와 용존 기체 가설, 열역학 해석」.
이 이론을 다룬 레포트·발표 자료는 캠퍼스다운 자료실의 '열역학 법칙' 레포트 검색에서 찾아볼 수 있어요.
참고문헌
- Carnot, S. (1824). Réflexions sur la puissance motrice du feu. Paris: Bachelier.
- Clausius, R. (1865). Über verschiedene für die Anwendung bequeme Formen der Hauptgleichungen der mechanischen Wärmetheorie. Annalen der Physik und Chemie, 125(7), 353-400.
- Fermi, E. (1937). Thermodynamics. New York: Prentice-Hall.
- Callen, H. B. (1985). Thermodynamics and an introduction to thermostatistics (2nd ed.). New York: Wiley.