Transcript 3강_열역학법칙.(282)

열역학법칙 II
열역학 제1법칙 : 에너지 보존법칙
닫힌 계에서 내부 에너지 변화는 계에 가해진 열과 행해진 일에
비례한다.
U  Q  W
가해진 열은
내부에너지 증가와
한 일의 합이다:
W
기체
에너지는 전환될 뿐
생성되거나 소멸
되지 않는다.
U
Q
불
열역학 제2법칙 : 엔트로피 증가의 법칙
1. 열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 자발적으로 흐르지 않는다.
2. 열을 완전히 일로 전환하는 것 이외에 아무것도 하지 않는 엔진을
만들 수는 없다.
3. 모든 고립계(isolated system)은 시간이 지남에 따라 점점 더
무질서해진다.
위의 세 가지 언급은 모두 동일하다(equivalent).
계(system)와 환경(environment)
대기
물
계 : 물,
환경 : 열, 대기
1) 고립된 계 : 환경과 전혀 상호작용이 없다.
그릇을 통해 열전달이 안되며
물이 증발하지도 않는다.
예) 우주
* 우주의 엔트로피는 항상 증가한다.
열에너지
2) 열린 계 : 주위와의 에너지 및 분자의 교환이
일어난다.
* 계의 엔트로피와 주위 환경 엔트로피의 합이
감소하지 않는다.
* 열린 계만의 엔트로피는 감소할 수 있다.
예) 생명체
열은 차가운 물체에서 뜨거운 물체로 자발적으로 흐르지 않는다.
T1
T2


(O)

(X)

* 맥스웰의 도깨비 (Maxwell’s Demon)
엔트로피(Entropy)
열역학적 엔트로피 = 열에너지를 온도로 나눈 값 S 
Q
T
dS1  Q , dS 2   Q
T1
T2
1 1
T2  T1 , dS  dS1  dS 2  Q  
 T1 T2 
dS  0
이며, 열은 물체 B에서 A로 전달되어 결국
두 물체의 온도는 같아지며,
dS  0
: 평형상태 (Equilibrium)
열을 완전히 일로 전환하는 것 이외에 아무것도 하지 않는
엔진을 만들 수는 없다.
TH  TC
QH  W (일)
 QC (버려지는 열)
열효율(Efficiency)
TH  TC
TC
e
 1
TH
TH
자동차 엔진의 열효율 25 – 40%
냉동기(냉장고)
TH
QH
W
(에너지)
냉동장치
QL
TL
모든 고립계(isolated system)는 시간이 지남에 따라 점점 더
무질서해진다.
통계역학적 엔트로피 : 물리계에서 무질서의 척도이다.
제2법칙 : 고립된 계의 엔트로피는 증가하거나 일정하게 유지된다.
S  k log D
k : 볼쯔만 상수, D : 상태 수
평형 상태(Equilibrium)
가장 무질서하여 엔트로피가 최대가 되는 상태.
더 이상의 변화가 일어나지 않는다 – “죽음”의 상태
시간이 의미를 갖지 않는다.
우주의 엔트로피가 계속 증가하여 최대값에 도달하면
“우주의 종말”을 의미하는가? – 열 죽음(Heat Death)
Ilya Prigogine (미 Texas대)
“혼돈으로부터의 질서(Order out of Chaos)”,
“있음에서 됨으로(From Being To Becoming)”
1977년 “비평형 산일구조의 열역학”에 관한 연구로
Nobel 화학상 수상
비평형 비선형 상태는 평형에 가까운 (선형)
상태와 다르다.
현재의 은하계, 태양계와 같은 질서가 탄생
할 수 있다.
진화론과 열역학 제2법칙
진화론은 열역학 제2법칙에 위배된다?
생명은 무질서로부터 질서를 창조하는 과정이며,
진화 역시 더 고도의 복잡한 질서를 만들어간다.
따라서 열역학 제2법칙에 위배된다(?)
생명은 열린 계(open system)이다.
태양으로부터 끊임없이 에너지를 받아들이는 과정에서
스스로 조직되는 질서가 만들어질 수 있다. 또한 단계적으로
고도의 질서 있는 체계가 성립될 수 있다.
부분적으로 개체 생명의 엔트로피가 감소하나,
우주의 전체 엔트로피는 항상 증가한다.
예) 눈송이, 태풍, 별이나 은하의 탄생, 물의 끓음
물리학자 Schrodinger, “생명이란 무엇인가(What is Life)?”, 1944
“생명은 음의 엔트로피(negentropy)를 먹고 산다.”
지식은 우주처럼 행동하고 있다. 단순성과 집중의 상태로부터
복잡성과 분산의 상태로 (저엔트로피에서 고엔트로피 상태로)
변하고 있다. 인류가 생산한 자료-엔트로피-의 여러 급격한
팽창은 시대에 발맞추어야 하는 사람들에게 엄청난 멍에를
지운다. 와인버그는 “현재는 좁은 전문분야로 한정한다 해도
한 물리학자가 모든 논문을 읽는 것이 불가능하다.”
지적인 엔트로피와 혼란을 줄이기 위해 우리가 해야 할 일은
정반대이다. 각각의 현상과 문제를 우리가 가지고 있는 모든
사상을 통해 분석하는 대신에 우리는 에너지와 엔트로피 같은
공통적인 일반 개념을 찾아서 우리의 모든 분과들에서 사용해야
한다. 그러한 지식 종합의 노력이 대학에서 시작되어야 한다.
지식의 통합을 통해서, 또한 새로운 학문의 창조를 통해서
우리는 그 길을 선도해야 한다.
우리는 모든 생산성-향상 기계들을 생산하기 위해 에너지(일)가
소비된다는 것을 잊어버린다. 기계를 제작하기 위해 일이 필요
하다면, 자동차, 청소기, 전자레인지, 컴퓨터, 세탁기, 건조기의
사용자들은 그 일의 대가를 치르기 위해 무언가 일을 할 수밖에
없다. 결과적으로 점점 더 많은 사람들이, 우리 모두가 소유한
시간절약 기계들의 값을 지불하기 위해 일하고 있다.
“우리가 열역학으로부터 배워야 할 실제적 명령은
단순하고 심오한 다음과 같은 것이다: 무슨 일을
하든, 그 일이 우리 자신들과 다른 사람들과 인류와
생물들과 환경에 대한 그 일의 영향 – 엔트로피 –
을 고려하라. 이것이 우리가 살아남기 위해서
배우고 따라야 할 생태학적 명령이다.” – G. Miller