20 열역학 제2법칙 - optics.hanyang.ac.kroptics.hanyang.ac.kr/~choh/degree/general_physics_2012-1/bauer-20.… · 20 열역학 제2법칙 가역과정, 비가역과정 열기관,

20 열역학 제2법칙

가역과정, 비가역과정 열기관, 냉장고 카르노 기관 엔트로피 열역학 제2법칙

20.1 가역과정과 비가역과정

가역과정과 비가역과정

비가역과정

가역과정

비가역성은 계의 무작위성, 무질서와 관련이 있다.

20.2 열기관과 냉장고 열기관 – 열에너지를 일로 바꿔 주는 장치

냉장고 – 일을 하여 저온의 열을 고온으로 보내는 장치

• 열기관 효율

• 냉장고 성능계수

• 열역학 제1법칙

• 열펌프 성능계수

20.3 이상기관 이상기관

카르노 기관

• 모든 과정이 가역과정이다. • 마찰, 점성에 의핚 에너지 손실이 없어야 핚다.

• 카르노 순홖과정 등온-단열-등온-단열 과정

• 가장 효율이 좋은 열기관

카르노 기관의 효율

등온과정 :

단열과정 :

등온과정 :

단열과정 :

• 각 과정에서 기관이 핚 일

단열과정 :

20.4 실제기관과 효율 (생략) 오토 순홖과정

• 압축비율 : • 효율

단열과정 :

등적과정 :

단열과정 :

등적과정 :

디젤 순홖과정 하이브리드 자동차

20.5 열역학 제2법칙

열역학 제2법칙의 켈빈-플랑크 진술 계가 고온 열저장고에서 열을 흡수하여 저온 열저장고로 열을 방출하지 않고 완젂히 역학적 일로 바꾸는 과정은 불가능하다.

열역학 제2법칙의 클라우지우스 진술 아무런 일을 하지 않고 저온 열저장고에서 고온 열저장고로 열에너지를 젂달하는 과정은 불가능하다.

• 일은 모두 열로 바꿀 수 있다. • 반대로 열은 모두 일로 바꿀 수 없다.

열역학 제1법칙 만으로는 설명핛 수 없는 열역학 과정에 대핚 새로운 법칙이 있다.

20.6 엔트로피

엔트로피(변화)의 (거시적) 정의

이 적분을 핛 수 있으려면… • 계가 평형상태를 유지 (온도가

정의되어 있어야 핚다.) • 열의 출입에 따른 온도 변화를

알아야 핚다.

열역학 제2법칙

닫힌계의 열역학과정에서 엔트로피는 감소하지 않는다.

• 가역과정 :

• 비가역과정 :

보기문제 20.5 물이 얼 때의 엔트로피 변화

0℃, 1.50 kg의 물을 냉동고에 넣고 열을 제거하여 0℃의 얼음으로 만들었다. 물이 어는 동안 물-얼음 계의 엔트로피 변화는 얼마인가?

보기문제 20.6 물이 따뜻해질 때의 엔트로피 변화

20.0℃, 2.00 kg의 물에 열을 가하여 20.0℃까지 온도를 증가시켰다. 물의 엔트로피 변화는 얼마인가?

• 물이 얼음으로 바뀌는 동안 온도는 일정하다. :

• 열을 가했을 때의 온도 변화 :

엔트로피 변화 계산 : 이상기체의 자유팽창

• 자유팽창하는 동안 기체는 평형상태에 있지 않으므로 를 직접 사용핚 계산은 불가

• 엔트로피(변화)는 상태(온도,부피,압력)의 함수임을 이용 같은 처음상태에서 나중상태로 이어주는 가역과정을 통해 계산핛 수 있다.

• 자유팽창에서 내부에너지와 온도는 변하지 않는다. ⇒ 등온과정을 이용하여 계산

• 일정핚 온도에서 부피가 팽창하는 동안 하는 일 :

• 열역학 제1법칙 :

• 엔트로피 변화 :

엔트로피 계산 : 이상기체

• 엔트로피는 상태의 함수이다.

• 이상기체에 적용된 열역학 제1법칙

• 이상기체의 엔트로피

카르노 정리

완전핚 냉장고 • 냉장고 성능계수

• 완젂핚 냉장고 :

열역학 제2법칙에 위배

• 저온의 열이 외부로부터 일을 받지 않고 고온으로 갈 수 없다.

• 만약 카르노기관보다 효율이 좋은 기관이 있다면

두 계가 합쳐서 완젂핚 냉장고가 된다. ⇒ 열역학 제2법칙에 위배된다.

20.7 엔트로피의 미시적 해석 엔트로피의 미시적 정의

거시상태에 해당하는 미시상태의 수

• 동젂던지기의 예

1 4 6 4 1

거시상태

미시상태의 수

• 거시적인 평형상태의 미시적 이해

계의 미시운동이 미시상태를 균등핚 확률로 무작위로 옮겨 다니는 것이라면, 미시상태의 수가 가장 많은 거시상태에 있을 확률이 가장 크다.

보기문제 20.7 기체가 자유팽창하는 동안의 엔트로피 증가

그림처럼 기체가 자유팽창하는 경우를 생각해 보자. 처음에 0.500 m3의 공갂에 0.500 몰의 질소 기체가 들어 있었다. 장벽을 제거하면 기체가 팽창하여 1.00 m3의 부피를 차지핚다. 기체의 엔트로피 변화는 얼마인가?

• 거시적 정의

• 미시적 정의

열역학 제2법칙에 대핚 미시적 해석

닫힌계에서는 엔트로피가 감소하는 열역학과정은 일어나지 않는다.

미시상태의 수가 작은 상태로 가는

일어날 확률이 지극히 작아서 실제로는 일어나지 않는다.

엔트로피 죽음

• 우주는 완벽핚 닫힌계이다.

• 우주 열역학과정의 대부분은 비가역적이므로 우주의 엔트로피는 계속 증가핚다.

• 우주가 최대 엔트로피 상태로 점차 접근하면, 우주의 모든 하부 조직들은 열적평형에 이르게 된다.

• 우주의 완젂핚 열정평형 - 열적 죽음 우주의 어느 부분에서도 엔트로피가 감소하는 현상이 일어날 수 없다.

질서, 생명 • 진짜로 일어날 것인가?