열역학 제 0,1,2법칙과 실생활.

<실생활에서의 적용을 통해 열법칙 살펴보기>

아래 실생활에서의 예시로 열역학 제 0,1,2법칙에 대해 알아보자.

뜨거운 커피

'상온의 밀폐된 방(단열되었으며 출입하는 일이 없음.)안의 뜨거운 커피 한 잔이 점차 식어 온도가 일정하게 되었다.'

이때 우리는 다음과 같은 사실을 익숙하게 알고 있다.

방안의 에너지 총량은 변하지 않는다. 또한 뜨거운 커피는 항상 식는다. 그리고 커피는 결국 방의 온도와 같아진다.

각 문장은 차례대로 열 제 1법칙, 2법칙, 0법칙의 내용을 품고있다. 

이제 열역학 법칙들에 대해 자세히 알아보자.

*열역학 제 0법칙

-"어떤 계의 물체 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 C도 열평형상태에 있다."

이것은 온도의 존재를 주장하는 것과 같으며 모든 열역학 법칙의 기본이 된다.

(-출처: 위키백과)

열적 평형상태란 온도의 동일성을 나타낸다. 즉 커피가 식어 방의 온도와 같아질 때 방안의 공기와 열적 평형상태에 도달했다고 할 수 있는 것이다. 열 제 0법칙은 이와 같이 열적 평형상태에 대한 법칙이다. 즉 커피의 온도와 방의 온도를 측정하여 같다면 둘은 열적 평형상태에 있다고 할 수 있다. (위의 실생활에서의 서술과 맥락이 약간 다르다. 그러나 열적 평형상태에 대한 법칙이라는 것을 기억하기에 커피 예시가 편한 것은 부정할 수 없다.) 

*열역학 제 1법칙

-열역학 제 1법칙은 에너지 보존법칙으로 말할 수도 있다. 즉 에너지의 형태는 변화할 수 있지만 그 총량은 변하지 않는다는 법칙이다. 이때 유의하여야 할 점은 이 법칙이 에너지의 질과는 무관한, 양에 관한 법칙이라는 점이다. 이 법칙에서는 열과 일의 유동이 가역적이고 따라서 방향에 제한이 없다. 즉 열 10J을 일 10J로, 또한 일 10J을 열 10J로 완전히 바꿀 수 있다. (실제로는 불가능하다. 이를 제한하는 것이 열 제 2법칙이다.) 

*열역학 제 2법칙

-열역학 제 2법칙은 에너지의 양과 질을 모두 논하는 법칙이다. 주로 에너지의 방향성에 대한 법칙으로, 에너지는 질을 저하시키는 방향으로 진행된다는 법칙이다. 이때 일은 열로 바꿀 수 있지만 열을 일로 바꾸기 위해서는 무조건적인 손실이 있으며 또한 특별한 장치가 필요하게 된다. (모터의 축일이 유체 내부의 온도는 쉽게 올릴 수 있으나 유체 내부의 온도가 어떻든 모터를 바로 돌릴 수는 없으며 또한 열의 손실 없이 그것을 행할 수 없다.) 

따라서 이 법칙은 공학장치의 성능, 즉 효율에 대한 이론적인 한계를 결정짓는다. 장치의 성능을 아무리 극한으로 높여도 2법칙이 제한하는 효율을 넘길 수 없다.

짜잔...! 이제 방 안의 커피 한 잔으로 열법칙들에 대해 더 잘 기억할 수 있게 되었다.