엔싸이버 백과검색 - 제2종 영구기관

제2종 영구기관을 쉽게 말하면, 열을 그대로 모두 일로 바꾸는 효율 100%의 열기관인데, 이것은 불가능하다. 마찰이나 열의 발생으로 에너지 손실이 있기 때문이다. 열이 관여하는 한 자연계의 법칙은 에너지 보존법칙을 충족시킨다. 뿐만 아니라, 열현상이 일반적으로는 비가역적(非可逆的)이라는 조건도 추가된다. 이것이 열역학 제2법칙이다. 예를 들면, 얼음과 끓고 있는 물을 섞으면 얼음은 녹고 물 전체는 어떤 온도로 떨어지지만, 반대로 이 온도의 물이 스스로 얼음과 끓고 있는 물로 분리되지는 않는다.

이 기계는 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 열의 이동으로 움직인다. 그러나 열이 계속 이동해 차가운 부분과 뜨거운 부분의 온도가 같아지면 이 기계는 작동을 멈춘다. 열역학 제2법칙을 열역학 창시자의 한 사람인 영국의 켈빈(W.톰슨)은 다음과 같이 표현하였다. ‘어떤 물질이 열역학적인 순환과정(카르노사이클)을 거칠 때, 단 하나의 열원에서 열을 흡수하여 그것을 해당 양의 일로 바꾸는 열기관은 있을 수 없다.’ 같은 시대에 독일의 R.E.클라우지우스는 같은 내용을 ‘어떤 다른 변화를 남기지 않고 열은 저온의 물체에서 고온의 물체로 옮겨 갈 수 없다.’라고 표현하였다. 제2법칙을 그렇게 설정하는 것은 바로 제2종 영구기관의 불가능성을 선언하는 것이다. 우리가 실제로 만들 수 있는 열기관은, 흡수한 열의 일부분을 방출하고 그 차이에 해당하는 양의 일을 외부에 대해 하는 것이다. 제1종 영구기관은 에너지 보존법칙에 어긋나기 때문에 불가능하다는 것은 비교적 이해하기가 쉽다. 그러나 제2종 영구기관은 에너지 보존법칙에는 모순되지 않는다. 그것이 불가능한 까닭은 열이 물질을 구성하는 아주 많은 분자의 운동의 결과라는 점으로 설명된다. 열역학 제2법칙으로 표현된 열현상의 특이한 성질은 미시적(微視的) 입장에서 생각하면 충분히 이해된다.

F.W.오스트발트는 ‘제2종 영구기관의 존재는 있을 수 없다.’고 했으며, 열역학 제2법칙에 적용할 것을 제안했다. 제2종 영구기관의 부정은, 자연계에 다시는 돌이킬 수 없는 과정이 존재한다는 사실과 관계되는 것이다. 이는 자연계에는 가역과정은 존재하지 않고 엔트로피는 증가한다는 말과 같다. 예를 들면, 뜨거운 물에 얼음을 넣으면 얼음은 녹고 물의 온도는 내려가 미지근한 물이 될 것이다. 그러나 그와 반대로 미지근한 물을 준비한 상태에서 그대로 두었을 때, 저절로 뜨거운 물과 얼음으로 분리되는 것은 불가능 하다.

만약 제2종 영구기관이 존재한다면 이러한 현상이 가능하게 될 것이며, 인간에게 주는 혜택은 말할 수 없이 클 것이다. 예를 들면, 바닷물로부터 열을 얻어 그것으로 선박을 운행할 수 있고, 실내 공기로부터 열을 빼내어 냉방과 동시에 발전을 아무런 동력 없이도 가능하게 하기 때문이다. 그러나 현실에서 이와 같은 일은 불가능하다.