열역학 제0법칙
열역학 제0법칙(zeroth law of thermodynamics)은 열적 평형 상태를 설명하는 법칙이다. "어떤 계의 물체 A와 B가 열적 평형상태에 있고, B와 C가 열적 평형상태에 있으면, A와 도 열평형상태에 있다." 이것은 온도의 존재를 주장하는 것과 같으며 모든 열역학 법칙의 기본이 된다. 이 법칙은 기본적으로 인지되었던 것이나 열역학 제1, 2법칙보다 늦게 포함되었기 때문에 0법칙이 되었다.
열역학 제1법칙
열역학 제1법칙(first law of thermodynamics)은 보다 일반화된 에너지 보존법칙의 표현이다: "어떤 계의 내부 에너지의 증가량은 계에 더해진 열 에너지에서 계가 외부에 해준 일을 뺀 양과 같다. "열역학의 제1법칙은 기본적으로 열역학적 계가 에너지를 저장하거나 가지고 있을 수 있으며, 이런 내부에너지가 보존된다고 말한다. 열은 높은 온도의 계에서 낮은 온도의 계로 이동하는 에너지이다.
또한 계의 에너지는 계가 주변에 역학적 일을 함으로 감소하거나, 주변으로부터 일을 받음으로 증가한다. 열역학의 제1법칙은 이 에너지가 보존된다는 것이다. 내부에너지의 차이는 받은 열에너지에서 계가 한 일을 뺀 값과 같다. 열역학 제1법칙을 수학식으로 표현하면 다음과 같다
dU = -δQ-δW
여기서, dU는 시스템 내부 에너지의 미소(infinitesimal) 증가값이다. δQ는 시스템에 더해진 미소 열에너지량이다. δW는 시스템이 주변에 한 미소 "일" 값이다.
미소열은 d가 아니라 δ로 표현되는데, 이는 그것이 완전미분이 아니라 불완전미분이기 때문이다. 다시 말해 미분해서 δQ 혹은 δW가 나오는 Q나 W에 관한 함수가 존재하지 않는다는 말이 된다. 불완전미분에 대한 적분은 경로 의존적이 된다.
에너지 보존 즉, 닫힌 역학계에서 에너지의 형태가 어떻게 바뀌더라도 총 에너지의 합은 일정하다는 것이다. 열역학 제1법칙은 에너지 보존에 대해 다루고 있다. 모든 에너지는 위치 에너지를 포함하며, 현대 물리학에서는 질량도 에너지의 일종으로 본다.
열역학 제2법칙
물리학에서 열역학 제2법칙(second law of thermodynamics)은 에너지가 흐르는 방향을 설명하는 법칙이다. 이는 어떠한 계의 총 엔트로피는 다른 계의 엔트로피가 증가하지 않는 이상 감소하지 않는다는 법칙이다. 이런 이유로 열적으로 고립된 계의 총 엔트로피가 감소하지 않는다. 이것은 차가운 부분에 한 일이 없을 때, 열이 차가운 부분에서 뜨거운 부분으로 흐르지 않는 이유이다.
두번째로 열원(reservoir)으로부터 양의 열에너지를 뽑아서 모두 일로 전환하되, 다른 추가적인 효과를 동반하지 않는 순환과정(cycle)은 존재하지 않는다. 총 일의 생산은 뜨거운 열원에서 차가운 열원으로 열의 이동을 필요로 한다. 따라서 영구 기관은 존재할 수 없다. 마지막으로 어떠한 과정에서 엔트로피 증가가 적다는 것은 그 과정의 에너지 효율이 좋다는 것을 뜻한다.
열역학 제2법칙으로부터 고립계가 아닌 계의 엔트로피는 감소할 수도 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어 에어컨은 방 안의 공기를 차갑게 해준다. 따라서 공기의 엔트로피를 감소시킨다. 방으로 부터 방출되고 에어컨이 작동함에 따라 흡수되는 열은 항상 그 계의 공기의 엔트로피의 감소보다 많은 양의 엔트로피를 만든다.
따라서 전체 계의 총 엔트로피는 열역학 제2법칙에 의하듯 증가한다. 역학에서 열역학의 기본 관계를 사용하여 표현된 제2법칙은 계의 일을 할 수 있는 능력의 한계를 나타낸다. 가역과정에서 미소열을 흡수한 온도가 T인 계의 엔트로피 변화는 δq/T로 주어진다.
열역학 제3법칙
물리학에서 열역학 제3법칙(third law of thermodynamics)은 엔트로피의 기본적인 개념과 관련되는 내용으로 다음과 같이 기술된다.
1) 절대 영도에서 계의 엔트로피는 0이 된다.
절대 영도에서 계는 반드시 최소의 에너지를 가지는 상태에만 존재할 수 있다. 이러한 최소의 에너지를 가질 수 있는 상태가 한가지 뿐이라면 엔트로피는 0이 된다. 한편 보다 일반적인 표현으로
2) 절대 영도에서 계의 엔트로피는 상수가 된다.
최소에너지의 상태가 복수계로 존재할 때 이렇게 엔트로피는 상수로 수렴하게 된다. 이러한 상수값은 때론 계의 잔류엔트로피라고 불린다. 또 다른 표현으로는 유한한 단계의 과정으로 계가 절대 영도에 도달할수 없다라는 표현이 있다.
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