열역학 제 2법칙 고찰

목차

1. 서론

2. 엔트로피
2-1 엔트로피의 개념
2-2 열역학과 엔트로피 법칙
2-3 엔트로피 법칙이 주는 시사점
2-4 엔트로피 세계관의 확립
2-5 가역사이클에 대한 엔트로피의 변화
2-6 비가역사이클에 대한 엔트로피의 변화

3. 열역학 제2법칙
3-1 열역학의 표현
3-2 영구운동기계의 종류

4. 가역과정 및 비가역과정

5. 사이클, 열효율, 성능계수
5-1 사이클
5-2 열기관과 열효율
5-3 성적계수 혹은 작동계수

6. 카르노 사이클
6-1 카르노 사이클의 구성
6-2 카르노 사이클의 열효율
6-3 역카르노 사이클

7. 열역학적 절대온도

8. 클라우지우스의 적분
8-1 가역사이클에 대한 클라우지우스의 적분
8-2 비가역사이클에 대한 클라우지우스의 적분

9. 열원과 동작유체의 엔트로피의 합
9-1 가역변화에 대한 엔트로피 증가원리
9-2 비가역변화에 대한 엔트로피 증가원리

10. 열역학 제 2법칙에 대한 반항

11. 결론

참고문헌

본문내용

정보와 관찰과 분석으로 판단하지 않고 선배가 정립해 놓은 법칙을 아무런 비판없이 진실이라고 받아들이며 다른 사람에게도 강권하는 것은 진리를 규명하는 것이 사명인 과학자들이 할 일은 결코 아니다.
열역학 제2법칙은 단일열원으로부터 일을 얻어내는 열기관의 출현을 완전히는 막을 수는 없는 ‘종이호랑이’에 불과하다. 왜냐하면 이미 이 종이호랑이를 무서워하지 않고 ‘단일열원 열기관의 원리를 정리한 후 실용적인 엔진을 설계하고 제작하는 일이 순조롭게 진행’되고 있기 때문이다.
열역학 제2법칙과 엔트로피이론은 그 토대가 ‘충분하지 못한 과거의 경험’과 ‘이상기체(ideal gas)의 가상적인 거동’이기 때문에 ‘새로운 현상의 발견’과 ‘실존하는 기체의 현실적인 거동’을 토대로 새롭게 구성되는 열기관의 출현에는 아무런 장애가 되지 못한다.
열기관의 원리 및 구성에서의 ‘열역학 제2법칙의 유용성’은 근본적으로 재평가되어야 한다.
열역학 제2법칙을 근거로 형성된 ‘열죽음 사태’는 기우에 불과하다. 이미 자연에는 엔트로피(무질서도)를 스스로 낮추어 가는 무수한 사례들이 발견되고 있으며 이는 보편적인 자연현상이다.
자연에서 엔트로피(무질서도)가 낮아지는 현상, 다시 말하면 자연적으로 질서도가 높아지는 현상(열에너지가 소위 고급에너지인 역학적 에너지로 스스로 변하는 현상)은 (1)태풍, 토네이도 등 기상현상, (2)광합성을 통한 식물의 성장 등의 생명현상, (3)질서를 창조해 나가는 인간의 지혜 등으로 이러한 ‘시스템을 구성하는 정보’들은 우주가 열죽음 상태로 가지 못하게 하는 안전장치의 역할을 훌륭하게 하고 있으며 그것은 매우 자연스러운 일이다.
중국의 고사에 하늘이 무너질 것을 걱정한 ‘기우(杞憂)’라는 말이 있다. 열죽음에 대한 우려는 기우에 불과하다. 미래에 어떤 일이 일어날지 불안해 하는 것은 인간에게는 피할 수 없는 일이다. 그러나 이치에 맞지 않은 걱정은 자신이나 이웃의 행복에 조금도 보탬이 되지 못한다.
‘열에너지는 가장 질이 낮은 에너지다’라는 생각은 ‘단일열원으로부터 일을 지속적으로 얻어내는 열기관이 발견되기 전에만 통할 수 있었던 우려’일 뿐이다. 열에너지는 충분히 고급에너지이며 ‘열의 특성을 잘 고려한 열기관’은 열에너지를 원하는 상태의 에너지로 자유롭게 바꿀 수 있다.
우주는 그렇게 허술한 존재는 아닌 것 같다.
11. 결 론
19세기 중반 클라우지우스가 엔트로피를 정의하고, 열역학 제2법칙이 여러 과학자들에 의해 정립되던 시기에 그들이 염두에 두었던 현상은 거시적인 현상이었다. 원자의 존재가 '가설'로서만 존재했던 시기였고 열기관이나 관련 실험들의 시스템 크기는 아보가드로 수(10의 23제곱) 정도였다. 비가역적인 과정에서 엔트로피 증가는 법칙의 지위에 있었으므로 볼츠만이 원자가설에 근거하여 엔트로피에 대한 미시적 이해를 추구하는 과정에서 엔트로피 감소에 대한 가능성이 나타나자 그토록 공격받았던 것이다. 어쨌든 볼츠만과 깁스를 비롯한 과학자들의 성과 위에서 열현상의 미시적 이해로서의 통계역학이 자리를 잡았고 다체계를 다루는 곳이면 어느 분야든지 통계역학이 활용되고 있다. 특히 점점 더 미시적인 세계에 대한 이해가 깊어지고 그런 시스템을 조작할 수 있게 됨으로써 열역학 제2법칙, 즉 엔트로피 증가법칙을 다시 검토할 필요가 생겨나고 있다. 이른바 '열역학적 극한(thermodynamic limit; 시스템의 크기를 무한대로 보냄)'에서는 엔트로피 증가법칙이 성립하지만, 유한한 크기, 특히 매우 작은 크기의 시스템에서는 엔트로피가 감소할 수도 있다는 것이 이론과 실험을 통해 밝혀지고 있다.엔트로피 감소는 열역학적으로 열을 일로 바꿀 수 있다는 말인데, 특히 미시적인 생명체 또는 생명기관의 효율과 연관지어볼 수 있다. 어쩌면 슈뢰딩거의 '네겐트로피(negentropy; negative entropy의 줄임말)'라는 개념 없이도 생명현상의 자기조직화를 이해할 수 있을지도 모른다. 요즘 계속 머리 속에 떠다니는 생각들인데, 앞으로 계속 더 깊이 공부해보고 싶은 주제다. 한 가지만 더 말해보자면, 가역성/비가역성에 관한 것이다. 애초에 가역성/비가역성은 어떤 시스템을 하나의 상태로부터 다른 상태로 변화시켰다가 되돌릴 수 있느냐 없느냐의 문제였지만, 여기에 '시간의 화살'이라는 개념이 얽히면서 복잡해진 것 같다. 엔트로피 증가법칙도 '상태공간 상의 어떤 경로에 따른 증가'를 말하는 것이었지만, 어쨌든 그 경로를 따라가는데는 '시간'이 필요하므로 '시간에 따른 증가'라고 해도 틀린 말은 아니다. 그런데 시간 가역성이나 시간 비가역성은 어떤 현상이 시간을 거꾸로 돌렸을 때에도 똑같이 관찰되느냐 아니냐에 관한 문제다. 사실 시간을 거꾸로 돌릴 수 있는 장치가 발명되지 않는 이상 '시간을 거꾸로 돌렸을 때'라는 상황은 전혀 불가능한 상황이므로 그에 관해서는 사고실험만 가능할 뿐이다. 어쨌든 '상태공간 상의 경로에 관한 가역성/비가역성'을 '시간 가역성/비가역성' 문제와 분리하여 생각할 필요가 있다.
참고문헌(REFERENCE)
- 제러미 리프킨, “엔트로피” (이창희 역), 세종연구원, 2002
- 제러미 리프킨, “수소 혁명” (이진수 역), 민음사, 2003, pp. 55-88
- 브라이언 그린, “우주의 구조” (박병철 역), 승산, 2005, pp. 218-261
- 제임스 러브룩, “가이아” (홍욱희 역), 갈라파고스, 2005, pp.211-272
- 이덕환, “서평: 열역학을 벗어나 버린 엔트로피”, 서평문화 2000/가을
- 김승환, “열역학의 시인 프리고진의 과학과 철학”, 월간 에머지 (2000 년 6월호)
- Fundamental of Engineering Themodynamics 5th ed. / Michael J. Moran & howard N. shapiro / WILEY
- 열역학 / Richard E. Sonntag ; Claus Borgnakkle ; Gordon J. Van Wylen 저 ; 박영무 [외]공역.
- 그림으로 이해하는 열역학 / 小暮陽三 著 ; 심증수 譯.
- 네이버 백과사전 / http://100.naver.com

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