“질서는 흐트러지고, 열은 퍼진다” 법칙이 부엌과 카페에서 증명된다
열역학 제2법칙이란?
열역학 제2법칙은 자연계의 모든 과정이 엔트로피(Entropy), 즉 무질서도가 증가하는 방향으로 진행된다는 원리입니다. 제1법칙이 “에너지 보존”을 다뤘다면, 제2법칙은 “에너지 사용의 질적 제한”을 설명합니다. 화공학적으로는 반응의 자발성, 냉동 사이클, 공정 효율을 설명할 때 반드시 등장하는 법칙입니다.
커피는 왜 식을까? 엔트로피의 시선
막 내린 뜨거운 커피는 시간이 지나면 반드시 식습니다. 이는 단순한 열 손실이 아니라, 열은 항상 고온에서 저온으로 흐른다는 제2법칙의 증거입니다.
- 커피(고온) → 주변 공기(저온)으로 열 이동
- 전체 에너지는 보존되지만, 엔트로피는 증가
- 커피가 다시 저절로 뜨거워지는 일은 절대 없음
화공 플랜트에서도 고온의 반응기에서 저온의 냉각수로 열이 넘어가며, 이는 모두 엔트로피 증가에 부합합니다.
냉장고는 제2법칙을 거스르는 걸까?
냉장고는 내부를 차갑게 유지하니 마치 제2법칙을 위배하는 것처럼 보입니다. 하지만 사실은 더 큰 엔트로피 증가를 동반하며 동작합니다.
- 압축기가 일을 해서 냉매를 고압·고온으로 만듦
- 냉매가 응축하며 외부로 열 방출
- 팽창밸브를 지나 저온이 된 냉매가 내부 열을 흡수
- 실내는 차가워지지만, 실외에 더 많은 열이 방출됨
즉, 국소적으로 질서가 생겼지만, 전체 우주적 관점에서 엔트로피는 더 커진 것입니다.
일상에서 보는 엔트로피 증가
- 퍼즐은 맞추기 어렵지만, 흩어지는 건 순식간
- 깨끗한 방은 유지하기 힘들고, 엉망이 되기는 쉽다
- 얼음은 저절로 녹지만, 물이 저절로 얼지는 않는다
이 모든 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 세상이 움직이기 때문입니다.
화공학적 응용
제2법칙은 화공학에서 효율과 자발성을 판단하는 기준이 됩니다.
- 냉동·에어컨 사이클: COP(성능계수)는 제2법칙으로 제한
- 화학 반응의 자발성: ΔG = ΔH - TΔS 식으로 판별
- 플랜트 효율: 엔트로피 손실 최소화가 곧 경제성
따라서 엔트로피 개념은 단순히 추상적인 물리학 법칙이 아니라, 산업 경제성과 직결됩니다.
FAQ
Q. 커피가 저절로 뜨거워질 수 있나요?
A. 제1법칙상 에너지는 가능해 보이지만, 제2법칙상 엔트로피가 감소하므로 불가능합니다.
Q. 냉장고 문을 열면 방이 시원해지나요?
A. 오히려 실내는 더 따뜻해집니다. 내부는 식어도, 압축기와 응축기에서 외부로 방출하는 열이 더 크기 때문입니다.
핵심 요약
- 제2법칙 = 엔트로피는 항상 증가
- 커피는 저절로 식지만, 다시 뜨거워지지 않음
- 냉장고는 내부를 식히지만, 전체 엔트로피는 더 증가
- 화학공학에서 반응 자발성·플랜트 효율 해석의 핵심