열역학의 세가지 법칙

열역학계가 외부와 에너지(열이나 일)를 교환하되 물질교환은 허용하지 않으면 '닫힌 계'라하고, 에너지교환도 허용하지 않으면 '고립계'라고 한다. 닫힌 계나 고립계에 해당하지 않는 나머지의 경우 모두 열린계에 속한다.

 

* 열역학 제1법칙

닫힌 계에서 어떤 변화가 발생했을 때 그 계의 에너지 변화는 외부환경과 교환한 에너지 양과 동일하다. 우리가 속해있는 닫힌계가 에너지를 잃으면 그 에너지는 외부환경이 이런저런 형태로 가져간다는 뜻이다. 아무것도 생성되지도 소멸되지도 않는다는 말이 에너지에도 적용됨을 보여준 것이다. 어떤 계가 거시적 차원에서는 정지해 있는 것처럼 보여도 입자든 분자든 간에 그것을 이루는 요소들의 차원에서는 정지 상태에 있는 것이 아니다. 열역학 제1법칙은 일과 열 사이 미시적 차원에서 존재하는  차이점에도 주목하게 해준다. 간단히 말하면 일은 계와 외부환경 사이에서 에너지가 질서있게 교환되는 것이고, 열은 비슷한 교환이 무질서 하게 일어나는 것이다.

 

* 열역학 제 2법칙

열역학의 제2법칙은 엔트로피에 관한 것으로 열역학적 계의 모든 변화는 계의 엔트로피와 외부환경의 엔트로피를 포함한 전체적인 엔트로피의 증가와 함께 진행된다는 법칙이다. 열역학계의 모든 변화는 엔트로피의 증가를 초래한다. 찬물과 더운물을 섞은 뒤 기다리면 미지근한 물이 만들어진다.  이 변화를 반대 방향으로 일어나게 할 수 있는 방법은 존재하지 않는다.  무질서가 어느 한 방향으로 증가한다면 반대 방향으로는 감소할 것 같지만 그런 일은 불가능하기 때문이다. 결론은 어떤 변화가 완벽하게 가역적일 때 엔프로피의 변화는 0이라고 보는 것이다. 열역학 제2법칙은 전체적인 엔트로피에 관한 것이다. 고립계 같은 특수한 경우, 즉 외부환경과 물질과 열, 그리고 그 밖의 어떤 것도 교환하지 않는 경우에 미시적 차원에서 입자들의 임의적 운동은 자연적으로 열평형 상태로 향한다. 다시말해 입자들의 운동이 균질해지고 따라서 계 내부의 열이 균질해지는 상태로 향한다는 것이다. 이러한 균질화는 비가역적이며 변화가 일어나는 동안 엔트로피는 증가한다.  계의 온도가 계 내부 어디에서나 동일할 경우 엔트로피는 최대치가 되는데 따라서 엔트로피가 최대치에 이른다는 것은 열평형 상태의 특징이다.

 

* 열역학 제3법칙 : 네른스트 법칙

열역학 제3법칙은 특수한 열역학계 즉, 온도가 절대 0도에 가까워져서 기본적인 양자 상태에 가까운 계에만 관련된다. 독일의 물리학자이자 화학자인 발터 네른스트가 발견하여 노벨 화학상을 받았다. 절대 영도에서 완전 결정의 엔트로피는 0이다라는 것이 그 내용이다. 절대 영도는 도달할 수 없는 온도다. 절대영도에서 어떤 계는 거시적 차원에서 열에너지를 전혀 가지지 않는데,  이 말은 계를 이루는 입자들이 모두 기본적인 양자상태(최적 에너지 상태)에 있음을 뜻한다. 네른스트는 열역학 제3법칙을 통해서 두가지 중요한 일을 했다. 첫째 엔트로피에 절대값을 부여했다는 것이다. 그전에는 엔트로피의 변화만 측정했고 그래서 엔트로피의 값은 언제나 상대적인 성질을 띠었기 때문이다. 두 번째는 그 법칙 덕분에 열역학적 계가 절대영도에 가까워졌을 때 일어나는 일을 알수 있게 되었다는 것이다. 현재 과학자들이 도달한 가장 낮은 온도는 절대영도보다 100억분의 1K정도 높은 온도다.