“절대온도 0K에서 엔트로피는 0” — 플랜트와 일상에서 만나는 제3법칙
열역학 제3법칙이란?
열역학 제3법칙은 “절대온도(0K, -273.15℃)에서는 엔트로피가 0에 수렴한다”는 원리입니다. 이는 모든 분자 운동이 멈추어, 무질서도가 사라진다는 뜻입니다. 실제로 절대영도에 도달하는 것은 불가능하지만, 극저온으로 갈수록 물질의 특성이 급격히 달라집니다.
LNG 플랜트와 제3법칙
화학공학에서 제3법칙은 극저온 공정에서 자주 등장합니다. 대표적인 예가 LNG(액화천연가스)입니다.
- 천연가스를 약 -162℃로 냉각 → 부피가 약 1/600으로 감소
- 저온에서 기체가 액체로 바뀌며, 엔트로피는 크게 감소
- 냉동 사이클 설계는 제2법칙과 제3법칙을 동시에 고려해야 효율적
LNG 저장탱크, 극저온 펌프, 기화기 모두 “절대영도에 가까운 온도에서 물질이 어떻게 변하는가”를 다루는 기술입니다.
드라이아이스와 액체질소
일상에서도 극저온 물질을 쉽게 접할 수 있습니다.
- 드라이아이스(CO₂ 고체): -78.5℃에서 바로 승화, 엔트로피 급증
- 액체질소(LN₂): -196℃에서 액체 상태 유지, 물질 보관·실험에 활용
제3법칙적 관점에서 보면, 이들은 “엔트로피가 낮은 상태를 만든 뒤, 자연스럽게 다시 증가하는 과정”의 예시입니다.
초전도체와 제3법칙
극저온 영역에서는 초전도체(Superconductor)가 등장합니다.
- 저항이 0이 되어 전류가 손실 없이 흐름
- 자기부상열차(Maglev), MRI, 양자컴퓨터 응용
- 모두 전자가 극저온에서 질서를 이루며, 엔트로피가 최소화된 상태
즉, 제3법칙은 단순 이론을 넘어서, 미래 기술의 핵심 토대가 됩니다.
실생활 비유
냉동실은 보통 -18℃ 정도로 유지되며, 절대영도와는 아직 멀리 있습니다. 그럼에도 얼음이 만들어지고, 음식의 부패 속도가 늦어지는 건 모두 엔트로피 증가 속도를 늦춘 결과입니다.
FAQ
Q. 절대영도에 도달할 수 있나요?
A. 불가능합니다. 제2법칙 때문에 무한한 에너지가 필요하기 때문입니다. 다만 근접하는 것은 가능합니다.
Q. LNG가 엔트로피와 무슨 관련이 있나요?
A. 기체가 액체로 바뀌며 무질서도가 크게 줄어듭니다. 이는 제3법칙을 응용한 대표적 사례입니다.
Q. 초전도체는 왜 제3법칙과 관련되나요?
A. 전자가 규칙적으로 배열된 상태(엔트로피 최소화)에서 저항이 0이 되는 현상이라, 제3법칙의 실용적 응용 사례입니다.
핵심 요약
- 제3법칙 = 절대영도에서 엔트로피는 0
- LNG·액체질소·드라이아이스 = 저온에서 엔트로피 감소 사례
- 초전도체 = 극저온에서 엔트로피 최소화된 상태의 응용
- 일상·플랜트·미래기술 모두 제3법칙과 연결