열역학 법칙② (엔트로피, 열기관의 열효율)

2023.05.03 - [2023 물리학I 톺아보기] - 열역학 법칙① (PV=NkT, 열역학 과정)

열역학 법칙① (PV=NkT, 열역학 과정)

물리학Ⅰ 전개도

판서 조직도

목표 기출 문제

19년도 9월 모평 물리1 3번

답: 5번

 

1. 열역학 제2법칙

 

엔트로피

시간은 변화에 대한 관념이자 변화를 기술하기 위한 가상적 개념에 지나지 않는다. 자연에서 시간의 방향을 정해주는 것이 '엔트로피'이다. 시간은 변화에 있어서 '무질서'를 지향한다. 이처럼 자연의 모든 것은 무질서로 귀결된다는 법칙이 '열역학 제2법칙'이다. '열역학 제2법칙'이 성립하지 않는 것은 운동량이나 에너지 보존 법칙이 성립하지 않는 것보다 더 이상한 일이다. 

뜨거운 물체가 식어가는 건 열이 고온에서 저온으로 이동하기 때문이며 너무나 자연스러운 반응이다. 그러나 열이 저온에서 고온으로 이동하여 뜨거운 물체가 더 뜨거워지는 것은 너무나 부자연스럽다. 이처럼 엔트로피는 열의 이동 방향을 고온에서 저온으로 결정한다.

 

2. 열기관

 

1) 열효율

열기관은 열(Q1)을 흡수하여 그 일부를 일(W)로 바꾸어 주는 장치이다. '에너지 보존 법칙'에 의하면 열을 모두 일로 바꿀 수 있지만 실제 기관은 투입된 열의 일부만이 일로 바뀐다. 그 이유가 무엇일까?

열기관의 구조

열은 온도가 높은 물체에서 온도가 낮은 물체로 이동하는 에너지다. 열기관은 이 흐름을 이용해서 열의 일부를 일로 전환한다. 이때 열기관의 열효율은 다음과 같다.

e:열효율 W:열기관이 한 일 Q1:열기관이 흡수한 열 Q2:열기관이 방출한 열

열효율이 100%인 열기관? '에너지 보존 법칙'만 고려하면 가능하다. 버려지는 열 Q2가 0이 되어도 에너지 보존 법칙은 위배되지 않는다. 하지만 버려지는 열이 0이 되기 위해서는 열이 자동으로 저온에서 고온으로 이동해야 하고, 이는 '열역학 제2법칙'에 어긋난다. 따라서 열효율이 100%인 열기관은 절대로 만들어질 수 없다. 외계인의 시어머니가 쳐들어와도. 결코. never. definitely.

 

2) 카르노 기관의 열효율

카르노 기관은 이론적으로 열효율이 제일 높은, 굉장히 이상적인 열기관이다. 열효율은 다음과 같다.

저열원의 절대 온도가 0K 또는 고열원의 절대 온도가 ∞가 될 수 없으므로, 카르노 기관의 열효율 역시 100%가 될 수 없다. 

 

카르노기관보다 높은 열효율을 갖는 열기관을 만들 수 없는 이유

2023.04.25 - [대학물리학 조각] - [열역학] 카르노기관보다 높은 열효율을 갖는 열기관의 모순

[열역학] 카르노기관보다 높은 열효율을 갖는 열기관의 모순

 

열기관의 순환 과정 분석

열기관의 순환 사이클의 한 예시

열기관이 한 번의 순환 과정을 거치면 다시 원래의 상태로 되돌아오므로, 한 번의 순환 과정 동안 열기관의 내부 에너지는 변화가 없다. 

도전 기출 문제

23년도 9월 모평 물리학1 15번

답: 5번