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열역학 제2법칙은 자연계에서 에너지 변환의 방향성을 규정합니다.
엔트로피(Entropy)는 고립된 계에서 항상 증가하거나 일정하게 유지되며, 감소하지 않습니다.
ΔS ≥ 0
즉, 열은 항상 고온에서 저온으로 흐르며, 모든 과정은 비가역적입니다.
열효율의 정의와 한계
열기관의 효율(η)은 다음과 같이 표현됩니다.
η = W / Qin = 1 - Qout / Qin
- Qin : 고온 열원에서 흡수한 열
- Qout : 저온 열원으로 방출한 열
- W : 외부에 한 일
이론적으로 가능한 최대 효율은 카르노 효율로 주어집니다.
ηCarnot = 1 - (Tlow / Thigh)
- Thigh : 고온 열원의 절대온도(K)
- Tlow : 저온 열원의 절대온도(K)
따라서 저온 열원이 존재하는 한, 효율은 100%에 도달할 수 없습니다.
영구 기관의 불가능성
열역학 제2법칙은 영구 기관의 존재를 부정합니다.
- 제1종 영구 기관
- 외부 에너지 공급 없이 무한히 일을 하는 장치
- 에너지 보존 법칙 위배 → 불가능
ΔE = 0 → W ≠ 0 (불가능)
- 제2종 영구 기관
- 모든 열을 손실 없이 일로 변환하는 장치
- 열역학 제2법칙 위배 → 불가능
η = 1 (불가능)
2025.07.15 - [분류 전체보기] - 섭씨와 화씨의 차이, 온도 계산
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비교 정리
| 개념 | 정의 | 핵심 포인트 | 가능 여부 |
|---|---|---|---|
| 열역학 제2법칙 | 엔트로피 증가, 열은 고온→저온 흐름 | 모든 과정은 비가역적 | 항상 성립 |
| 열효율 | 열기관의 성능 지표 | 카르노 효율이 상한 | 100% 불가능 |
| 영구 기관 | 무한히 일하는 장치 | 제1·2법칙 위배 | 불가능 |
열역학 제2법칙은 에너지 변환의 방향성과 한계를 규정하며, 열효율의 상한을 제시하고 영구 기관의 불가능성을 증명합니다. 이는 모든 물리적 시스템과 공학적 장치에 적용되는 보편적 원리로, 현실적인 기술 개발과 에너지 활용은 반드시 이 법칙을 기반으로 이루어져야 합니다.
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