열역학 제0법칙, 제1법칙, 제2법칙, 제3법칙

1. 개요

열역학 법칙은 제0법칙, 제1법칙, 제2법칙, 제3법칙이 있다. 
열역학 제0법칙은 열역학적 평형에 대한 설명이고, 열역학 제1 법칙은 에너지 보존의 법칙,

열역학 제2 법칙은 엔트로피의 법칙, 열역학 제3 법칙은 절대 0도에 가까워질수록 엔트로피

의 변화량은 0에 가까워진다 라는 이론이다.
열역학 제0 법칙은 제일 나중에 나온 법칙이지만 가장 기본 원리이므로 0법칙의 지위를

얻었다고 한다. 

2. 열역학 제0법칙

열역학 제0 법칙은 어떤 계(system)의 물체 a와 b가 열적 평형 상태에 있고 b와 c가 열적 평형 상태에 

있으면 a와 c도 열평형 상태에 있다로 설명한다.

이 현상은 열 에너지의 흐름이 발생하지 않다는 뜻이지 열 에너지 양이 같다는 뜻은 아니다. 
여기서 계의 종류는 고립계와 열린 계, 닫힌 계로 구분이 되는데 고립계는 주변과 물질 및

에너지 교환이 단절된 것을 뜻하고 열린 계는 주변과 물질 및 에너지 교환이 모두 일어남을 뜻한다.
그리고 닫힌 계는 주변과의 물질과 교환되지 않지만 에너지는 이동함을 의미한다. 

3. 열역학 제1법칙

열역학 제1법칙은 에너지 보존의 법칙으로서 외계의 접촉이 없을 때 고립계에서 에너지의 총합은

일정하고 에너지는 그 형태를 바꾸거나 다른 곳으로 전달할 수 있을 뿐 생성되거나 사라질 수 없음을

의미한다. 에너지의 총량은 항상 일정하게 유지된다는 것인데 롤러 코스터에서 중력에 의한 포텐셜

에너지가 운동 에너지로 변환되거나 화약의 화학 에너지가 총알의 운동 에너지로 변환되는 것이

그 예 이다. 열역학의 법칙에 위배되는 연구기관을 제1종 연구기관이라 부른다.

4. 열역학 제2법칙

열역학 제2법칙은 엔트로피의 법칙을 뜻하는데 엔트로피가 증가하는 방향으로만 일어나는

무질서한 상태의 법칙을 의미한다. 자연적인 즉 외력이 없는 에너지 흐름의 방향성을 알려

주는 법칙이고, 이러한 방향성을 엔트로피라는 개념으로 설명할 수 있는데 고립된 계에서는

엔트로피가 감소하지 않는다. 
에너지 보존 법칙에서 에너지를 무한정 사용할 수 없는 이유가 제2 법칙 때문인데 에너지는

엔트로피가 높아지는 방향으로 움직이고 혹여 강제적으로 낮추는 과정에서도 역시 에너지를

소모한다. 에너지 총량은 보존되지만 유용한 에너지로 되돌리는 가역적인 과정은 불가능하다. 
이것은 점차 사용할 수 없는 에너지로 바뀌는 것을 뜻한다.
즉 에너지는 손실이 일어나는, 쓸모없는 에너지가 증가하는 방향으로 흘러간다는 뜻이다.
이것을 증명하는 첫번째 사례는 에어컨이다.
에어컨이 실내 공기의 열을 흡수하여 엔트로피를 감소시키지만 실외기를 통해 방출하는 열이 

더 많아 결국은 증가하는 엔트로피가 더 많다. 
두번째 사례는 물속에 번지는 잉크인데 잉크가 물속에서 번지는 현상은 엔트로피가 증가하는

방향으로 진행되는 것이다. 물과 섞인 잉크를 가만히 두었을 때 순수한 잉크 한 방울로 분리되는

엔트로피가 감소되는 현상은 불가능하다.
세번째 사례는 온도가 다른 물을 합쳤을 때의 현상이다. 각각 같은 양의 70도와 30도의

물을 섞었을 때 50도가 된다. 하지만 각각 100도와 0도가 되는 일은 일어나지 않는다. 이것은

에너지 보존 법칙 즉 열역학 제1법칙을 만족하더라도 제2법칙에 의해 불가능하다.
프랑스의 공학자 사디 카르노는 효율성을 최대로 만드는 가상의 기관인 카르노 기관을 제안했다. 
이후에 이 카르노 기관을 켈빈 경과 루돌프 클라우지우스 등의 물리학자가 연구하여 정립한 개념이 

열역학 제2 법칙이다. 

5. 열역학 제3법칙 

열역학 제3법칙은 절대 0도(켈빈)에 가까워질수록 엔트로피의 변화량은 0에 가까워진다는 이론이다.
이것은 쉽게 말하면 절대온도 0도의 불가능성을 설명하는 법칙이다.
계 내의 온도가 낮아지면 분자 운동이 감소하는데 이것은 엔트로피의 감소 폭이 줄어듦을 의미한다.
엔트로피 변화량이 0인 온도를 과학자들이 계산한 값이 섭씨 -273도(절대온도0)를 뜻하는 것이다. 
이것은 자유분방하던 분자의 운동이 줄어들어 무질서에서 질서를 찾아가 엔트로피는 점차 감소하게 

되고 엔트로피가 감소하는 폭은 온도가 낮아질수록 점차 줄어들고 특정 온도 즉 -273도에서 0이 된다. 
다만 자연계에서는 절대 온도 0이 될 수 없고 0으로 수렴할 뿐이다.