열역학

1 소개

熱力學, Thermodynamics[1]

열역학이란 열과 일(에너지와 운동)의 관계를 설명하는 물리학이다. 다수의 입자를 다루기 때문에 대학 학부 수준만 돼도 통계를 사용하며, 여기에 원자/양자 개념을 도입하면 통계역학이 되기 때문에 통계역학의 전신이라고도 할 수 있다.

2 열역학 법칙

영국의 물리학자 찰스 퍼시 스노(C. P. Snow)는 열역학 법칙을 도박에 비유한 바 있다.

  • 0법칙: 당신은 도박을 해야만 한다.
  • 1법칙: 당신은 이길 수 없다.
  • 2법칙: 당신은 본전도 못 찾는다.
  • 3법칙: 도박은 끝나지 않는다.

꿈도 희망도 없다.

2.1 열역학 제0법칙 - 열역학적 평형

열역학적 평형이란, 어떤 물체 A와 B가 열평형상태에 있고, A와 C가 열평형 상태에 있으면, B와 C 역시 열평형 상태에 있다는 것이다. 엥 이거 완전 삼단논법 아니야? [2]

얼핏 보면 매우 당연해 보이는 것이지만, 1법칙, 2법칙, 3법칙이 확립된 후에야 이것이 확립되었다. 이 사실은 계의 상태나 크기 같은 것에 상관 없이 절대적인 척도가 될 수 있는 어떤 열역학적 개념, 즉 온도를 확립할 수 있게 해주기 때문에 중요성이 인정되어 0법칙이 되었다.

이것이 하나의 법칙으로 배울 필요가 없을 정도의 당연한 내용이라고 오해하는 경우가 있는데, 절대로 그렇지 않다. A,B,C 세 물체를 접촉시켜 놓았더니 A에서 B로 에너지가 흐르고, B에서 C로 에너지가 흐르고, C에서 A로 에너지가 흐르도록 이 우주가 혹시 생겨먹었다면 열역학 제0법칙이 성립하지 않는 것이다. 우리가 이것을 당연하게 여기는 것은, 단지 우리가 살고 있는 우주가 이런 법칙을 따르는 것을 오래 보아왔기 때문이다.

추가적으로 말하자면, 열량은 열밀도라고 보아도 무방한데 열밀도가 다르고 온도가 같은 두 물질이 접합했을때 열교환이 없다는 이야기다.[3] 열이 아닌 대부분의 물질을 기준으로 이야기 하면 대부분 밀도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는게 일반적이다. 그런 일반적인 사고를 열에 적용했으니 이 법칙의 발견이 늦어진 것이다. 이 법칙자체는 당연하지도 일반적이지도 않다. 열이 특수한 경우로 생각 할수 있다.

2.2 열역학 제1법칙 - 에너지 보존의 법칙

고립계의 에너지 총합은 일정하다.

이는 다음 식으로 흔히 표현된다.

△U=Q-W

이 때, U는 계의 내부 에너지를 뜻하며, Q와 W는 각각 열과 일로 전달되는 에너지를 뜻한다[4].

외계의 접촉이 없을 때 고립계에서 에너지의 총합은 일정하다는 것으로 물리학의 바탕이 되는 법칙 중 하나다. 이 법칙에 따르면 에너지는 그 형태를 바꾸거나 다른 곳으로 전달할 수 있을 뿐 생성되거나 사라질 수 없다. 항상 일정하게 유지된다는 것이다. 롤러코스터에서 중력에 의한 퍼텐셜(위치) 에너지가 운동 에너지로 변환되거나 화약의 화학 에너지가 총알의 운동 에너지로 변환되는 것이 그 예이다.

이를 한 마디로 나타내면 다음과 같다.

외부와 에너지 교환이 없는 고립계 내에서 에너지는 사라지지도 생겨나지도 않는다. 다만 그 형태는 바뀔 수 있다. 그래서 우리는 항상 가장 쓸모없는 에너지인 열을 다른 걸로 좀 바꿔보려고 애를 쓴다. 하지만 그것은 아래에서 설명하는 열역학 제2법칙 때문에 효율에 한계가 있으며 항상 엄청난 저효율로 인해 고생한다. 오히려 열을 다른 에너지로 바꾸는 데 드는 에너지들이 열로 더 많이 바뀐다.

아인슈타인의 그 유명한 공식 [math]E=mc^2[/math]이 나온 이후에는 질량 역시 에너지의 한 가지 형태라는 것이 밝혀졌다. 따라서 에너지 총합에 질량을 넣어야 한다. 일상적인 상황에서는 굳이 생각하지 않아도 되지만 원자로의 핵분열 반응이나 항성의 내부를 다루는 경우에는 반드시 고려해야 한다.

마이너 버전으로 보존력장 내에서의 역학적 에너지(운동에너지+퍼텐셜 에너지) 보존이 있다. 여기서는 에너지 [math]E=T+V[/math]가(그러니까 해밀토니안) 일정하다고 나타낸다. 보존력장에서는 반드시 성립하며, '시간의 균질성(Homogeneity of time)'을 시사한다. 특별한 시간은 없고, 어느 시간에 대해서도 물리 법칙이 동등하게 적용된다는 것.

다만 열역학 제1법칙이 우리가 알고 있는 형태의 에너지 보존법칙의 부분집합일 뿐이라고 생각하면 곤란하다. 이 법칙이 나오게 된 시대적인 배경을 고려해야 하는데, 19세기에 들어서조차도 과학자들은 "열현상"이라고 분류되는 현상의 본질에 대해 100% 확신이 없었다. 그래서 '열은 칼로릭(caloric)이란 유체가 물질 사이를 이동하는 현상이다.'라는 칼로릭 이론도 19세기 초까지 진지하게 받아들여지고 있었다.

열역학 제1법칙이란 우리가 관측하는 열현상이 단지 미시적인 원자, 분자들의 운동의 결과물일 뿐이라는 하나의 패러다임의 선언문으로 이해할 필요가 있다.[5] 럼포드(Rumford), 줄, 맥스웰, 볼츠만 등의 19세기의 과학자들의 오랜 연구의 결과물인 것이다.

물론 고등학교 물리 과정에서 위의 정도까지 알 필요는 없고 Q=ΔU=CvΔT(부피 일정)or Q=W=PΔV(등압조건) 이정도만 알면 된다. 대학 과정으로 가면 cdT, μdn 등 전기적, 자기적, 화학적 에너지까지 다룬다.

20세기 초, 에너지 보존 법칙은 알버트 아인슈타인의 특수 상대성 이론을 통해 질량-에너지 보존 법칙으로 확장되었다. 특수 상대성 이론에 따르면 질량은 에너지의 한 종류이고 기준 관성계에 따라 측정되는 값이 다를 수는 있지만 같은 관성계에서 시간의 변화에 대해서 불변이다.

2.3 열역학 제2법칙 - 방향의 법칙

고립계의 엔트로피는 감소하지 않는다.

프랑스의 공학자 사디 카르노는 일 효율성을 최대로 만드는 가상의 기관인 카르노 기관을 제안한다. 후에 이 카르노 기관을 캘빈경과 루돌프 클라지우스등의 물리학자가 연구하여 정립한 개념이 열역학 제2법칙이다. 열역학 제2법칙에서는 엔트로피라는 개념을 사용한다. 다만 기존 열역학이 갖는 엔트로피는 수학적으로 오직 미소변화에 대해서만 정의가 내려졌기 때문에, 엔트로피 변화를 다룰 수는 있었지만 정작 그 엔트로피가 실제 자연현상에서 어떤 물리적 현상에 대응하는 것인지에 대해 엄밀하게 나타내지 못했다. 루트비히 볼츠만이 이 엔트로피의 미시적 의미를 통계역학적 관점에서 완전히 재정립하여 현대에 이르게 된다.

간단히 표현하면

  • 온도가 높은 곳에서 보내진 열을 온도가 낮은 곳으로 보내지 않고 일로만 전환하는 것은 불가능하다.(The Principle of Thomsen)

한 마디로 표현하면 열을 일로 100%변환하는 것은 불가능하다.

  • 온도가 낮은 곳에서 보내진 열을 일로 전환하면서 온도가 높은 곳으로 보낼 수 없다.(The principle of Clausius)

한 마디로 표현하면 아무 작용없이 찬 것을 더 차게 만들 수는 없다 or 섭씨 30도의 물에 얼음 넣는다고 물이 끓을 수는 없다.(즉 얼음의 열이 섭씨 30도의 물로 이동해 얼음은 영하 70도가 되고 물이 섭씨 100도가 될 수 없다는 얘기)

좀 더 자세하게 표현한, 방향의 법칙은 아래와 같이 설명된다.

  • 고립된 계(isolated system)에서는 엔트로피가 증가하는 현상만 일어나며 감소하지 않는다. 에너지의 형태 중에서, 엔트로피가 가장 높은 형태는 열의 형태이기 때문에, 모든 에너지는 궁극적으로 열이 된다.
  • 다른 말로, 사용해버린 에너지(엔트로피가 높은 상태)를 같은 양의 엔트로피가 낮은 에너지로 다시 되돌리는 것은 불가능하다. 계의 일부에서 엔트로피를 낮추는 것은 가능하지만, 그것은 계의 일부에만 해당되며 전체적으로는 결국 엔트로피가 증가한다.

한 마디로 말해서 모든 에너지가 쓸모가 가장 없는 열로만 쉽게 변환이 된다는 것이며, 꼼수를 써서 제한된 공간 등에서 에너지를 열 이외에 다른 것으로 변환하더라도 그걸 위해서는 더 많은 에너지가 열로 변환되는 참사를 겪는다는 것이다. 그래서 지금도 인류의 에너지 변환효율이 처참한 수준이며, 변환과정이 많아질수록 에너지의 대부분이 열로 버려질 뿐 원래 의도하는 일에 쓰이는 양은 극히 드물다는 것이다.

이런 점으로 인해 선풍기 앞에 풍력발전기를 다는 등 옥상옥의 장치를 설치하면 오히려 에너지를 더 소모하게 된다. 얼핏 생각하기에는 낭비되는 에너지의 일부를 회수할 것처럼 보이지만, 실제로는 그것보다 더 많은 에너지가 마찰 등으로 인해 버려진다는 것이다. 바꿔 말하자면 여름날에 덥다고 냉장고 앞에 서 있지 말자. 결과적으로 더 더워진다. 왜냐하면 모터가 전기 에너지를 소비하면서 열이 발생하기 때문. 에어컨의 반례를 드는 독자가 있을지 모르겠는데, 에어컨은 집 안에 있는 열을 집 밖으로 빼내는 장치이지 열을 없애주는 장치가 아니다. 그리고 집 안에서 줄어든 열과 집 밖에서 늘어난 열을 비교해 보면 항상 후자가 더 높다. 이 역시 전기 에너지가 열로 전환되면서 열이 더 늘어난다.

그리고 다른 열역학 법칙도 마찬가지지만, 열역학 제2법칙은 현재의 우주에서는 절대 무너지지 않는다. 만일 엄청난 과학력의 발달 등으로 인해 왕운이 터져서 천문학적인 가능성으로 기적이 발생해서 이 법칙을 무시할 수 있다면 그야말로 신세계가 열린다. 당장 영구기관이 가능해지는 것이다! 간단한 예로, 지금 당신의 양 손바닥을 비벼보자. 그러면 손바닥이 뜨거워진다. 이것은 근육에 저장되어있던 화학 에너지가 운동 에너지로 바뀌고 그것이 마찰을 거쳐 열로 바뀐 것이다. 그러면, 이제 발생한 열을 가지고 어떤 수단이든 어떤 장치를 쓰든 손바닥을 비비도록 하면, 최초에 소모된 화학에너지 만큼의 에너지가 나오지 않는다. 정리하자면, 열 에너지는 절대로 다른 형태의 에너지로 손실없이 바꿀 수 없다. 다만 이것은 열 에너지에 한한 것이며, 전기 에너지, 위치 에너지, 운동 에너지 등의 다른 에너지들은 이론상으로는 원래 에너지의 100% 모두를 다른 에너지로 바꿀 수 있다.

1법칙이 '시간이 균질하다'고 말하는 거라면, 이건 '시간을 거꾸로 돌려도 같은 물리법칙을 볼 수 있는가(T-symmetry)'에 대한 답이다... 라고 많은 사람들이 알고 있지만, 사실 그렇게 보기에는 함정이 있다. 왜냐면 열역학 제2법칙은 물리계의 엔트로피가 증가한다는 뜻이긴 하지만, 그것이 시간의 흐름에 따라서 그렇게 된다는 것이 절대 아니기 때문이다.

열역학 제2법칙은 결국 뉴턴의 운동법칙으로부터 나온 것이고, 뉴턴의 운동법칙은 T-symmetry를 가진다 - 즉 시간대칭성이 있다. 따라서 열역학 제2법칙도 당연히 시간대칭성이 있다. 물리적으로 볼 때 30분 전에 당신 앞의 반쯤 녹은 얼음이 순수한 물이었을 가능성은 없는 것이 아니며, 열역학 제2법칙만을 가지고 따진다면 오히려 그쪽이 가능성이 높다. 앞 설명이 조금 이상하다. 시간 대칭성을 이해하기 쉽게 예를들면 얼음이 녹아서 물이 되는 과정을 찍었다고 하자. 그리고 두 가지 영상을 만든다. A-찍은 그대로의 정상적인 영상. B-뒤에서 앞으로 재생되는 물이 얼음이 되는 영상. 그렇다면 찍는 장면을 보지 못한 사람은 AB중에 어떤것을 재생한것이고 어떤것을 역재생 한것인지 알수가 없다. 이러한 경우에 시간 대칭성이 있다고 한다. 물리법칙이 시간의 방향에 따라서 변화하지 않는것.[6]

진정으로 시간 대칭성에 대한 답을 주는 것은 다름아닌 빅뱅 우주론이다. 우리의 우주는 빅뱅 직후의 '극저 엔트로피 우주'라는 특별한 초기 조건을 가지고 시작했기 때문에 시간 대칭성이 성립하지 않는 것이다.

기타 매체에선 모 박사는 이 법칙을 끔직하게 증오하고 있다.

태양의 코로나가 겉보기에 이 법칙을 위배하는 것 처럼 보이기 때문에, 내재된 메커니즘을 밝히기 위해 과학자들이 연구중이다.

2.4 열역학 제3법칙 - 절대영도 불가능의 법칙

엔트로피는 절대영도에 가까워 질수록 변화량이 0에 수렴하며, 엔트로피 자체도 절대영도에서 완전한 결정상태의 엔트로피는 0이다. 다만 자연계에서 절대영도는 존재할 수 없고 0으로 수렴할 뿐이다.

원래 열역학 제2법칙까지의 지식만으로는 엔트로피의 상대적인 크기만 알 수 있다. 하지만 제3법칙이 등장하면서 엔트로피의 크기를 절대적으로 구할 수 있게 되었다. 물론 어떤 계(system)들은 절대 0도로 내려가더라도 엔트로피가 0이 아닌 경우가 있다. 이는 그 계의 바닥상태(Ground state)가 한 개가 아니라 여러 개인 경우에 발생하는데, 궁금한 사람은 잔류 엔트로피(residual entropy)라는 키워드를 가지고 공부를 시작하면 된다.

3 열역학 함수

3.1 기본에너지

내부에너지 U, 엔탈피 H, 헬름홀츠 자유에너지 A, 깁스 자유에너지 G를 부피, 압력, 온도, 엔트로피의 식으로 정의한 식들이다.
[math] dU=TdS-PdV [/math]
[math] dH=TdS+VdP [/math]
[math] dA=-SdT-PdV [/math]
[math] dG=-SdT+VdP [/math]로 심플하게 정의된다.

이는 에너지(U,H,A,G)를 측정하는데 S,V,P,T중 2개만 제어할 수 있으면 됨을 의미한다. 미분기호가 붙어있는 변수가 제어해야 할 변수. 이공계의 여러 분과에서는 각자의 상황에 맞는 에너지를 사용한다. 예를 들면 화학에서는 열린 공간에서의 반응, 즉, dP=0인 상황을 주로 다루므로 해당 항이 사라져 다루기 편해지는 엔탈피나 깁스 자유에너지를 주로 사용하며, 내연기관 같은 제한된 공간에서의 (dV=0)의 에너지 변화를 다루는 기계공학에서는 내부 에너지를 주로 사용하게 된다. 르장드르 변환에 의해서 얻을 수 있는 열역학 기본에너지는 이 네가지가 전부이다.

3.2 화학 퍼텐셜

Chemical Potential.

4 열역학 법칙을 무시하려는 것들

위에 언급된 열역학 법칙으로 인해 영구기관이 불가능하다는 점이 이미 오래전에 입증되었다. 하지만 믿고 싶은 것만 믿는 것이 사람의 본질중 하나이고 영구기관이라는 게 매우 낭만적인 인간의 로망 중 하나인지라, 지금도 발악을 하는 사람들이 많다. 근본적으로 '열역학을 왜 무시하려 하는가'를 잘 생각해보면 그런 잉여력을 다른 곳에 쓸 수 있을 텐데.. 간단한 예로, 우리는 이미 1g의 물질로 약 2500만 KWh 의 에너지를 생산할 수 있는 시대에 살고 있다. 이는 아직도 기존 동력기관들의 효율이 더 높아질 수 있음을 말한다.[7]

열역학 제2법칙은 모든 물리학법칙에 우선한다. 그러므로 만일 당신의 이론이 이 법칙을 따르지 않는다면 그냥 조용히 포기하는 것이 상책이다. 그런 이론을 아무리 고집해봤자 개선될 희망이 없기 때문이다.

아서 에딩턴의 저서 Barrow에서 발췌함

다만 저 말은 강조하려는 것으로, 반증 가능성을 남겨 놓지 않고 확신해 버리면 유사 과학이 될 수 있으므로 주의해야 한다.
다음의 것은 인위적인 것이 아닌 실제 발견된 물리현상들이다.

  • 태양 - 표면 온도보다 코로나 온도가 훨씬 높아 외견상 열역학 법칙에 정면으로 위배된다. 자세히 알아보고 싶으면 코로나 항목을 보자.
  • 음의 온도[8] - 열역학 정의상 나올 수 있는 것이지만 우리가 알고 있는 온도, 그러니까 '양의 온도'와 정 반대의 특성을 갖는다. 일반 상식선에서 음의 온도를 관찰한다면 온도의 절댓값이 낮아질수록 뜨거워지고, 높아질수록 차가워진다.. 즉 음의 온도에서는 온도값이 작아질수록 에너지는 높은 상태이다. 이것은 온도의 물리적 정의가 엔트로피를 에너지로 미분한 것에서 나오기 때문이다. 분자의 운동 에너지가 곧 온도로 표현되는 고전적인 물리계를 다루는 열역학 입장에서 보았을 때에는 기이한 현상일 수 있으나, 딱히 열역학 법칙에 위배되는 것은 아니다. 열적 평형, 에너지 보존, 엔트로피 모두 잘 정의된다. 음의 온도라는 비직관적인 현상은 기이한 물리현상이라기보다는 음의 온도를 가질 수 있는 특이한 계(스핀 시스템같은)를 말하는 것에 가깝다. 비전공자들을 위한 음의 온도 설명 네이버캐스트

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5 교육과정에서의 열역학

5.1 대학교 1학년 이전

일반적인 교육과정(고등학교 융합형 과학, 물리Ⅰ, 물리Ⅱ, 대학교 일반물리, 대학교 일반화학)등에서는 1법칙과 2법칙을 위주로 가르친다. 사실 따지고 보면 0법칙은 1법칙과 2법칙이 성립하기 위해서 필요한 '공리' 혹은 '가정' 이라고 할 수 있는 법칙이고, 3법칙은 2법칙으로부터 추론해낼 수 있는 법칙이기 때문이다. 그리고 사실 0법칙과 3법칙만 이용해서는 시험문제를 만들기 쉽지 않다.(...)

이 시기에 주로 나오는 문제는 열역학 제1법칙 중 [math]Q=\Delta U + W[/math](주로 물리학에서의 정의. 화학에서는 주로 [math]\Delta U = Q + W[/math]로 정의한다.)[9] 공식을 사용하여 [math]P[/math]-[math]V[/math] 그래프를 해석하는 것인데 등압 과정, 등온 과정, 정적 과정, 단열 과정 등 계에 여러 방식으로 변화를 주어 그에 따라 변화되는 수치값(일/열/내부에너지/엔트로피/엔탈피 등) 계산이나 자유에너지랑 연계시켜 자발성 여부 판단, 열/일의 진행 방향 등을 추론하는 방식이다. 각 과정에 따라서 공식의 세 변수값이 천차만별로 달라지므로 각 과정의 특징을 잘 기억해서 적재적소에 잘 써먹는 게 중요하다.

열역학 제2법칙은 카르노 기관을 필두로 하여 여러 열기관의 수치값 변화량이나 기관의 열효율 등을 추론하는 문제가 주로 나온다.

5.2 대학교 고학년 전공과목

많은 공대 학과에서 학부전공과 연계시킨 전공과목으로 배우게 된다. 물론 수준은 위 문단의 일반물리학보다 훨씬 높다. 그리고 깁스와 맥스웰을 증오하게 되겠지 그 사람들만 증오하면 다행인거지.

아래 4과목은 서로 다른 과목이다. 학교 전산망에서 같은 과목으로 인식하더라도 절대 타과 열역학을 들으면 안 된다. 보통은 이렇게 이름만 다른 역학 과목들 사이에는 큰 차이가 없으나, 기계과열역학/재료과열역학/화공과열역학은 전혀 다른 내용을 많이 담고 있고, 학문 특성상 물리학과와 화학과 과목은 공학쪽 내용을 포함하긴 하지만 공학과 과목들과 방향성이 다르기 때문에 한 과목을 수강했다 해도 나머지 과목은 다시 배워야 한다. [10]

이 과목들의 차이점은 다음과 같다.
- 기계과 열역학 : 열역학 법칙을 배운 뒤 열기관에 비중을 둔다. 학부에서는 카르노 기관을 필두로 하여 Lankin Cycle, 디젤 기관 등의 여러 주요 Cycle에 대해 배운 후, 각각의 효율을 계산하는 선에서 마치곤 한다. 보다 고급 과정으로 나아가면 엔트로피 증가로 인해 사라지는 양을 제외한 '가용할 수 있는 최대의 일'의 개념인 Exergy를 이용하여 각종 방식으로 주어진 System의 효율을 최대화할 수 있는 테크닉들을 익히게 되며, 냉각, 태양열, 화학 반응[12], 플랜트, 다상(Multi-Phase) 등의 특수한 Case에 대해 이를 적용하게 된다. 또한 이 단계까지 오면 경우에 따라 통계역학적 접근을 사용하게 되기도 한다.

- 재료과 열역학 : 열역학 법칙을 배운 뒤 물질의 상평형 비중을 둔다. 용액열역학을 중점적으로 배우고 주로 응집상의 상변태를 많이 배운다. 재료과 열역학은 복잡한(binary, ternary, quaternary) 상평형도의 분석, 그리고 상변태와 미세조직 변화의 메커니즘의 이해를 위해 주로 다루기 위한 기본이기 때문에 열역학 이후에 상전이나 상변태라는 과목을 배우면서 상 변화를 이해하는 기본적인 틀로 사용한다. 더 자세한 내용은 재료공학 항목 참조.

- 화공과 열역학 : 열역학 법칙을 배운 뒤 화학반응에서의 에너지 출입에 비중을 둔다. 학교에 따라, 상 평형에 초점을 맞추기도 한다.다만 재료과는 고체에 대해 깊이있게 다루는 반면 화공과는 유체에 대해 깊이있게 다루는 편. 더 자세한 내용은 화학공학 항목 참조.

- 물리과 열역학 : 열역학 법칙을 배우는 과정에서 공대 과목과는 달리 근본적인 원리의 소개와 증명에 초점을 둔다. 가장 확실한 차이점은 분배함수 (partition function)의 적극적인 도입과 활용이다. 공대생들은 가장 어려운 건 배우지도 않는데, 왜 열역학 과목이 어렵다는 거지? 상당수의 공대 열역학 과목에서는 교수의 성향에 따라 분배함수라는 단어 자체를 배우지 않고 열역학 과목이 종료될 가능성이 높다. 화공과나 재료과의 경우 물리화학 과목에서 분배함수를 배우는 경우가 있다. 분배함수(partition function)를 다루기 위해서는 기존 열역학에 대한 통계역학적 접근이 이루어진다. 페르미온과 보존같은 고전역학의 범위를 넘는 내용도 일부 배우게 된다. 더 자세한 내용은 통계역학 항목 참조.

- 화학과 열역학 : 화학과 역시 화학 반응 과정에서 출입하는 열이나 에너지를 아는 것이 중요하다. 특히 엔탈피와 엔트로피로부터 얻어지는 Gibbs 자유에너지의 부호는 화학 반응의 자발성을 판단하는 척도로 널리 사용되며, 원자와 분자를 다루는 경우 통계적인 값이 거시적인 변수에 어떻게 적용되는지를 이해하는 것도 중요하다. 기본적인 토픽은 물리과에서 다루는 열역학과 비슷하지만, 논리 전개의 엄밀성을 포기하는 대신 실제 현상을 설명하는 데 어떻게 적용할 수 있는지에 주안점을 맞추는 편이다. 물리과에서는 열역학의 기본 가정에서 출발하여, 각종 변수들을 정의하고 Legendre 변환 등의 수학적 도구를 통해 이들 간의 관계식을 정의하는 것이 목표이다. 반면 화학과에서는 에너지나 엔탈피, 엔트로피 등을 직관적으로 받아들이고, Carnot 기관 등 공학적인 부분을 상대적으로 깊게 배우며, 이상기체나 실제기체, 단분자와 이분자 등 화학에서 관심을 갖는 조건들에 대해 계산하고 실험값과 비교하는 과정에 집중한다.

시험 과목으로도 등장한다.

6 기타

만화 총몽의 악당 디스티 노바 교수는 열역학 제2법칙에 대해 명대사를 날렸다.
[1]

마법소녀 마도카☆마기카의 큐베는 열역학 제2법칙을 거슬러 우주의 열적 죽음을 방지하기 위해 마법소녀 계약자들을 찾아다닌다고 한다. 실제로 호무라와 계약할 때의 대사가 "너의 기도는 엔트로피를 능가했어."이다.

영국의 록 밴드 Muse의 6집 타이틀 'The 2nd Law'가 열역학 제2법칙을 의미한다. 특히 12번 트랙 'Unsustainable(지속불가능)'은 열역학 제2법칙에 따라 끊임없는 발전에 기초한 인간이 지속불가능 하다는 것을 직설적으로 말하고 있다. 또 13번 트랙 'Isolated System(고립계)'의 뮤직비디오에서 사람들이 사라져 가는 모습이 인상적이다.지구가 고립계가 되었어!

3번 항목에서 언급한 것처럼 창조좀비들이 이 열역학 법칙을 가져다가 진화론을 비방하는데 하도 많이 악용하다보니, 물리학자들조차 지친 나머지 물리학 서적에 "진화론은 열역학 제2법칙에 위배되지 않으니 헛소리 그만할 것"이라고 따로 언급할 지경이다.
  1. ↑ thermo는 그리스어로 열(heat)을 뜻하는 θέρμη 에서, dynamic는 힘을 뜻하는 δύναμις 에서 유래했다.
  2. ↑ 일상적 언어로 표현하면 온도가 같은 것 끼리의 온도는 같다는 말이다. 서울의 22도나 부산의 22도나 같은것
  3. ↑ 예를 들면 물은 대기중의 공기보다 단위 부피로도 단위 질량으로도 열량이 높다. 어떤 기준으로 보아도 밀도가 높다고 볼수 있는데 같은 온도의 공기와 접했을 경우에 열교환이 없다.
  4. ↑ 열와 일은 그 자체로 에너지의 전달이라는 의미를 갖고 있기 때문에 △가 붙지 않는 것이다. 전달되지 않는 에너지 자체는 열역학적으로 아무런 가치가 없다.
  5. ↑ 이것을 인정하고 나면, 거시세계에서 이미 확립된 에너지 보존법칙을 열현상에까지 확장하는 것이 자연스럽게 된다.
  6. ↑ 반대의 예를 들면, 인간의 노화같은 경우는 시간대칭성이 없다.
  7. ↑ 하지만 열기관의 경우에는 카르노효율을 넘어설수가 없다.
  8. ↑ 이를테면 -1 K처럼 영하로 떨어진 절대온도를 말한다.
  9. ↑ 이는 일의 방향을 물리학과 화학이 서로 반대로 정의하기 때문이다. 주로 물리학 계열에선 계의 부피 변화를 [math]dV[/math] 라고 할 때, [math]W=\int P_{ex} dV[/math]로 정의하고 [math]Q=\Delta U + W[/math]라 쓰고, 화학 계열에선 [math]W=-\int P_{ex} dV[/math]로 정의하고 [math]\Delta U = Q + W[/math]를 쓰는데 열역학의 기원이 열기관이었기 때문에 물리학이나 기계공학 등에서는 계가 외부에 한 일에 관심을 갖는다. 화학에선 물질이 이미 가지고 있던 내부 에너지를 기준으로 열/일에 따라 변화되는 수치값을 분석하기 때문. 둘 중 자신에게 더 편한 것을 골라 쓰자. 그리고 [math]W[/math]의 부호가 다르게 정의되었을 뿐 어차피 똑같은 식이라는 걸 알 수 있다.
  10. ↑ 대학원에서는 세부 전공에 따라 '기계과'에서 듣더라도 '화공과' 내용까지 커버하는 과목이 있을 수도 있다. 하지만 대학교 2~4학년 수준에서는 전혀 별개의 과목.
  11. ↑ 보통 물리화학 분야의 하위과목에 해당한다.
  12. ↑ 기계공학 하면 떠오르는 것 중 하나인 제철소에서 철을 환원시키는 과정부터가 화학 반응이 포함되어 있다!