열역학 과정의 방향성

많은 열역학 과정들은 당연히 한 방향으로만 진행되고 그 반대로는 진해되지 않는다. 예를 들면 열은 뜨거운 물체에서 찬 물체로 흐르고, 그 반대는 없다. 열이 찬 물체에서 뜨거운 물체로 흐르는 것이 열역학 제1 법칙에 위배되지는 않는다. 즉 에너지가 보존되기 때문이다. 그러나 이런 일은 실제 자연에서는 일어나지 않는다. 왜 그럴까? 역학전 에너지를 열로 완전히 바꾸는 것은 쉽다. 이러한 일은 브레이크를 이용하여 자동차를 세울 때 항상 일어난다. 반대로 열의 일부분을 역학전 에너지로 바꾸는 많은 장치가 있다. 자동차 엔진이 그 한 예이다. 그러나 어떤 발명가도 열을 전부 역학적 에너지로 바꾸는 기계를 만들이 못했다. 왜 그럴까? 이 두가지 질문에 대한 대답은 열역학적 과정의 방향성과 관계 있으며, 열역학 제 2법칙이라 불리운다. 이 법칙은 열기관 또는 발전기의 효율에 근본적인 한계가 있음을 말해 준다. 또한 냉장고를 작동하는데 필요한 최소 에너지에 관한 제한과 관련이 있다. 따라서 제 2법칙은 많은 중요한 실제적 문제와 직접 연관성이 있다. 또한 제 2법칙은 계의 무질서한 정도의 척도인 엔트로피의 개념으로 설명된다. 엔트로피의 개념은 잉크가 물에 섞이지만 절대로 저절로 나눠지지 않거나 또는 다른 가능해 보이는 과정이 절대로 관찰되지 않는 이유를 설명해준다. 

열역학 과정의 방향성. 자연에서 일어나는 열역학적 과정은 모두 비가역과정이다. 이들은 한 방향으로 저절로 일어나지만 다른 방향으로는 일어나지 않는다. 기체의 자유 팽창에서처럼 뜨거운 물체에서 찬 물체로의 열 흐름은 비가역이다. 책을 책상에서 미끄러뜨리면 마찰에 의해 역학적 에너지를 열로 바꾸어 준다. 이 과정은 비가역적이다. 아무도 책이 처음에 정지해 있다가 저절로 책상 위에서 움직이고 책과 책상이 차가원지는 반대 과정이 일어나는 것을 본 적이 없다. 이번에 중요한 주제는 여러과정에서 선택적 방향성을 결정해 주는 열역학 제2법칙이다. 

모든 자연 과정의 선택적 방향성에도 불구하고 이상적인 가역 과정을 생각할 수 있다. 이상적인 가역 과정(reversible process)을 따르는 계는 그 자신과 주변이 항상 열역학적 평형 상태에 매우 가깝게 놓여 있다. 어떤 상태의 변화도 계의 주어진 조건 내에서 아주 미세한 변화를 줌으로써 그 반대로 일어나게 할 수 있다. 예를 들면, 온도차가 아주 작은 두 물체 사이에서의 열 흐름은 두 물체의 온도를 아주 작게 변화시킴으로써 뒤집어질 수 있다. 가역 과정은 계가 항상 열역학적 평형에 있는 평형과정(equilibrium process)이다. 물론 계가 정말로 열역학적 평형에 있다면, 계의 변화는 일어나지 않는다. 열은 정말로 고른 온도를 유지하는 계에서 흘러나오거나 또는 나가지 않으며, 역학적 평형 상태의 계는 팽창하거나 그 주변에 대해 일을 하지 않는다. 가역 과정은 실세계에서는 엄밀하게 얻어질 수 없는 이상적인 과정이다. 그러나 온도차나 압력차를 아주 작게 만들어서, 계를 평형 상태에 매우 가깝게 하여 과정들을 거의 가역적으로 만들 수 있다. 그래서 가역 과정은 준평형 과정이라고 한다. 대조적으로 유한한 온도차에 의한 열 흐름, 기체의 자유 팽창, 일의 마찰에 의한 열로의 전환은 모두 비가역 과정이다. 조건 내에서의 작은 변화는 계를 되돌리지 못한다. 이들은 모두 비평형 과정이고 계는 과정이 끝날 대 까지의 어떤 점에서도 열역학적 평형에 있지 않다. 과정의 방향성과 결과로 나타나는 상태의 무질서도 혹은 무구잡이도는 서로 상관관계를 가진다. 예를 들어, 자료 카드에 적힌 수천의 책이름을 가나다순으로 배열하는 지루한 분류 작업을 생각해보라. 가나다순으로 배열한 카드 뭉치를 공기 주에 던저벼리면, 그 순서대로 땅에 떨어지겠는가? 아니다. 제멋대로 또는 무질서한 상태로 떨어지게 되는 경향이 있다. 기체의 자유 팽창의 경우, 기체는 한 구석에 모여 있기보다는 전공간에 퍼져 더 무질서해진다. 옷가지들이 옷장 속에 있을 때보다 방바닥에 흩어져 있을 때 더욱 무질서한 것과 같다. 비슷하게, 거시적 운동에너지는 잘 짜여 있는 많은 분자의 운동과 관련된 에너지이다. 그러나 열전달은 제멋대로 무질서한 분자 운도으이 에너지 변화를 포함한다. 따라서 역학적 에너지를 열로 바꾸는 것 은 무질서도의 증가와 관련있다. 

열기관. 기술 사회의 본질은 근육의 힘 대신에 여러 에너지를 사용하는 능력이다. 때로는 수력의 예처럼 역학적 에너지가 직접 이용될 수 있다. 그러나 우리가 사용하는 에너지는 대부분 화석연료(석탄, 석유, 천연가스)를 태우거나 핵반응으로부터 얻는다. 이렇게 공급된 에너지는 열의 형태로 변환된다. 이는 난방, 조리, 화학 공정 등에 직접적으로 유용하나, 기계를 작동시키거나 차량을 움직이기 위해서는 역학적 에너지가 필요하다. 따라서 자원에서 열을 얻는 방법과 이를 가능한 많이 역학적 에너지로 변환시기는 방법을 아는 것이 매우 중요하다. 이것이 자동차의 엔진, 비행기의 제트엔진, 발전소의 터빈 등에서 일어나는 일이다. 자연계에서도 밀접한 관련이 있는 일이 일어나는데, 즉 동물들이 음식물을 태워서 근육을 사용함으로써 열에너지를 역학적 에너지로 바꾸게 된다. 열을 일 또는 역학적 에너지로 바꾸는 장치를 열기관이라부른다. 보통 엔진 내부에서 ㅁ낳은 양의 물질이 열의 흐름, 팽창과 압축, 때론 상변화를 겪게 된다. 이 물질을 엔진의 작동 재료라 한다. 내연기관에선 작동 재료가 공기와 연료의 혼합물이며, 증기 터빈에선 물이다. 가장 간단한 기관은 작동 재료가 순환과정을 겪는 것이다. 증기 터빈에서 물은 순환되고 재사용된다. 내연기관에서는 같은 공기를 계속 쓰지 않지만, 실제 상황과 근사한 순환 과정으로 분석할 수 있다.