열역학 0,1,2,3법칙을 연관하여 설명해주세요~

각각에 대한 설명을 원하시는게 아님은 알겠지만,

일단 열역학 각 법칙에 대해 약간의 이해가 있어야 설명이 될 듯 하네요...

 

우선 아주 쉽고 간단하게 설명하자면,

열역학 0법칙은 열평형 법칙이구요...

열역학 1법칙은 열에너지 보존 법칙,

열역학 2법칙은 엔트로피 법칙,

열역학 3법칙은 절대 영점에서의 엔트로피 법칙으로 요약될 수 있습니다.

 

이를 연관지어 설명하기 위해서는 우선 열을 에너지의 개념을 도입하여 이해하는 것이 필요합니다.

열을 에너지의 개념으로 보는 것은 열이 일을 할 수 있는 다른 형태의 것들로 전환될 수 있음과

경로에 무관하게... 즉 과정에 무관하게, 처음값과 끝의 값에만 의존하는 결과를 갖게 됨을 의미합니다.

 

 

 

다시 열역학 법칙으로 돌아와서요...

 

열역학 0법칙은 열이 에너지로 정의되어짐에 따라 열의 이동을 설명할 수 있습니다. 즉, 열이 이동하므로 인하여 동일한 상태에 놓아둔 두 물체(혹은 고립계-외부와 단절되어 열출입이 전혀 없는 계[공간]-에서 접촉되어 있는 두 물체)의 온도는 언젠가 반드시 평형(과정에 무관하게 처음과 끝의 값을 확인하여 설명가능)을 이룬다는 것 입니다. 즉, 예를 들어 추운 겨울날 나무와 쇠를 밖에 놓아두었다면, 우리가 느끼기에 쇠가 더 차갑게 느껴지지만(전도율에 관한 차이임) 실제로 두 물체의 온도는 같음을(나무와 밖의공기, 쇠와 밖의공기가 접촉되어 있다고 봄) 설명하는 법칙입니다.

열역학 1법칙의 경우, 열이 에너지로 정의됨에 따라서 에너지라면 모두가 다 적용되는...

즉, 다른 형태의 에너지들이 전부 다 보편적으로 가지는 법칙인 보존 법칙이 적용되는 경우입니다.

이는 소비된 에너지와 공급된 에너지의 총량은 언제나 동일하다는 것으로...

에너지의 전환과 같은 과정에서 에너지는 절대 소멸되거나 생성되지 않는다는 법칙입니다.

(물론 전체적인 측면에서의 법칙이므로 이 또한 고립계라 생각하시면 됩니다.)

열이 에너지로 정의됨에 따라서 엔트로피라는 것을 새롭게 정의할 수 있는데요...

엔트로피를 정량적으로 정의하면....

엔트로피의 변화량이 열에너지의 변화량를 온도로 나눈 값이라 할 수 있습니다.

(다른 정의 방법도 있습니다만, 에너지를 이용한 정의 방법으로 쉽게 설명 하기 위해서 위의 정의를 사용하여 설명드리겠습니다.)

바로 엔트로피 정의 그 자체에서 열역학 제 3법칙을 쉽게 설명할 수 있는데요...

엔트로피의 정의에서 분모에 온도가 들어가게 되죠...

엔트로피 정의에서 쓰이는 온도는 절대온도 T[K]로 사용하는데요...

엔트로피에서 분모에 온도가 들어가게 되어 온도가 0K가 되어 버리면, 엔트로피를 정의할 수 없게 됩니다.

따라서 엔트로피 법칙에 의하여 온도가 0K에 가까이 접근할 수는 있지만, 절대 0K가 될 수 없게 되는 것입니다.

그 외에도 3법칙은 너무 어려워서 뭐 여러가지 복잡한 설명이 있지만,

결국은 결론적으로 T가 0K로 접근하게 되면 엔트로피가 어떤 일정한 상수값에 접근한다는 법칙입니다.

여기에서 엔트로피에 대한 물리적 의미를 살펴 볼 필요가 있습니다.

정량적인 측면에서의 정의에 의하여 엔트로피 변화량 값이 열에너지의 변화량를 온도로 나눈 값으로 정의한 것과 는 조금 다르게

정성적인 측면으로 정의하자면 엔트로피는 무질서한 정도라고 표현 하는 것이 가장 쉬운 표현이라 할 수 있습니다.

즉,  무질서하면 할수록 엔트로피의 값이 커진다는 뜻입니다.

    <참고>

 - 열을 무질서하다고 표현하는 것이 조금 어려울지도 모르겠습니다...

 - 기체의 움직임의 방향 정도로 이해하세요.

 - 고온에서 열은 제일 차가운 쪽으로만 이동하려고 하겠죠...

 - 즉, 차가운 곳으로 가려는 일종의 방향을 가지고 있습니다.

 - 허나, 저온에서의 열은 고온으로 이동하거나 다른곳으로 이동한다기 보다는....

 - 자신의 자리에서 방향성 없이 움직이고 있을 것입니다.

 - 잉크 확산을 예로 들면, 처음에 물에 잉크를 풀었을 때는

 - 잉크를 떨어뜨린 곳에서 잉크가 없는 곳으로 점차 이동하며 확산되어가는 방향성을 갖지만,

 - 잉크가 완전히 물에 섞이고 난 이후에는 눈으로 볼 수 없겠지만,

 - 잉크는 방향성 없이 물 속에서 이리 저리 방향성 없이 계속 움직이고 있는

 - 무질서한 상태를 갖게 되는 것과 같은 원리 입니다.

그렇다면 상식적으로 생각할 때 열은 뜨거운 곳으로 이동할까요? 차가운 곳으로 이동할까요?

당연히 열은 뜨거운 쪽으로 이동하겠죠? 열에너지가 많은 쪽이 더 뜨거울테니까요...

즉, 에너지 혹은 일을 할 수 있는 능력이 큰 곳에서 적은 곳으로 이동하게 됩니다.

열을 에너지로 보는 순간부터 열은 자연의 법칙에 적용을 받게 되는데요...

즉 자연의 법칙상 질서 있는 것에서 무질서한 쪽으로 이동하게 되는 것입니다. 

따라서, 자연의 법칙에 의해 엔트로피는 절대 감소하지 않음(무질서한 것에서 질서있는 쪽으로, 혹은 저온에서 고온으로 이동하지 않음)을 알 수 있습니다. 이것이 열역학 제 2법칙입니다.

 

 

 

열역학 법칙을 연관하여 비교 설명하는게 생각처럼 쉽지 않네요...

직접 작성한 것이기 때문에 더 자세하고 정확한 내용은 책을 참고하시길 바래요...^^

0법칙, 1법칙, 3법칙은 에너지로 연관지었고, 3법칙과 2법칙은 엔트로피로 연관지어 설명했어요...

다른 개념으로는 연관지어 설명하기가 매우 까다롭네요...

쉽게 설명해보려고 노력은 했으나... 그것도 생각 처럼 되지는 않네요...ㅠㅠ

부족한 부분은 너그럽게 이해하시길...ㅋㅋ

 

그럼 물리 공부 즐겁게 하시길 바랄께요...