소방유체역학›열역학

열역학 제2법칙

Second Law of Thermodynamics

제2법칙의 핵심 — 방향성
💡 제1법칙은 "양", 제2법칙은 "방향"
①제1법칙: 에너지 총량은 보존된다 (얼마나)
②제2법칙: 에너지 변환에는 방향이 있다 (어디로)
③뜨거운 커피는 식지만, 찬 커피가 저절로 뜨거워지진 않는다
0 자연 방향

열 이동 방향과 엔트로피

클라우지우스와 켈빈-플랭크
📜 제2법칙의 두 가지 표현
①클라우지우스: 열은 저온에서 고온으로 저절로 이동할 수 없다
②켈빈-플랭크: 하나의 열원에서 열을 받아 전부 일로 바꾸는 것은 불가능
③두 표현은 동치(equivalent) — 하나가 틀리면 다른 것도 틀림
클라우지우스 부등식
∮ δQT ≤ 0
사이클에서 열/온도 비의 적분 ≤ 0 (등호: 가역과정)
카르노 사이클과 최대 효율
800 K
300 K

T-S 다이어그램 — 카르노 사이클

카르노 효율
η = 1 - TLTH
모든 열기관의 효율 상한. TH↑ 또는 TL↓일수록 효율 증가
💡 카르노가 중요한 이유
①카르노 사이클은 같은 온도 범위에서 최대 효율
②실제 기관은 비가역 손실 때문에 반드시 카르노보다 낮음
③효율을 높이려면: 고온원 온도↑ 또는 저온원 온도↓
엔트로피 — 무질서의 척도
엔트로피 정의
dS ≥ δQT
등호: 가역 과정, 부등호: 비가역 과정 (실제 현상)
💡 엔트로피 증가 법칙
①고립계의 엔트로피는 항상 증가하거나 일정 (감소 불가)
②비가역 과정(마찰, 열전달, 혼합)은 반드시 엔트로피 증가
③가역 과정은 이상적 극한 — 실제로는 존재하지 않음
④화재는 대표적인 비가역 현상 → 엔트로피 급증
총정리
카르노 효율
η = 1 - TLTH
열기관 효율의 이론적 상한 (절대온도 K 사용)
엔트로피 부등식
dS ≥ δQT
비가역 과정 → 부등호, 가역 과정 → 등호
🎯 시험 포인트
①카르노 효율 η = 1 - T_L/T_H — 반드시 절대온도(K) 사용
②클라우지우스: 저온→고온 자연이동 불가 / 켈빈-플랭크: 100% 열→일 불가
③엔트로피: 고립계에서 항상 증가 (제2법칙)
④가역과정 = 이상 극한, 실제는 모두 비가역
⑤카르노 사이클: 2등온 + 2단열 = 최대 효율